EP3715496B1 - Sputtering target for producing layers containing molybdenum oxide - Google Patents
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- EP3715496B1 EP3715496B1 EP19166312.9A EP19166312A EP3715496B1 EP 3715496 B1 EP3715496 B1 EP 3715496B1 EP 19166312 A EP19166312 A EP 19166312A EP 3715496 B1 EP3715496 B1 EP 3715496B1
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- H01J37/3426—Material
- H01J37/3429—Plural materials
Definitions
- the present invention relates to a sputtering target for producing molybdenum oxide-containing layers and the use of such a sputtering target for the gas phase deposition of a molybdenum oxide-containing layer.
- Molybdenum oxide-containing layers (especially those based on molybdenum oxide) have interesting optical properties and are therefore particularly used in layer structures in optical or optoelectronic applications such as electronic displays. They are often used in combination with or directly adjacent to metallic layers made of, for example, aluminum (Al), copper (Cu), titanium (Ti), or (metallic) molybdenum (Mo), which function as electrical conductors, for example.
- An example of the application of molybdenum oxide layers is JP 2013020347 A in which metallic conductor tracks within the display of a capacitive touch sensor (touch screen) are covered by a light-absorbing layer of MoOx in order to suppress unwanted reflections of the metallic conductor tracks.
- Important properties such as light absorption, light reflection, light transmission, etching rate, thermal stability and stability against other chemicals used in the manufacturing process (e.g. photoresist developer or remover) depend on the precise stoichiometric composition of the deposited molybdenum oxide-containing layer and the added doping elements (e.g. Ta, Nb, etc.).
- the etching rate is relevant for subsequent structuring of the deposited layer using photolithography in conjunction with a wet-chemical etching process.
- molybdenum oxide-containing layers are required in which the oxide (molybdenum oxide and/or a molybdenum-containing mixed oxide) is present in a substoichiometric composition, i.e. the oxide has unoccupied oxygen valences and there are oxygen vacancies in the deposited molybdenum oxide-containing layer.
- molybdenum oxide-containing Layers can achieve interesting electro-optical properties, such as high light absorption (and correspondingly low light reflection) in the visible wavelength range, particularly at a reference wavelength of 550 nm, and at the same time sufficient electrical conductivity (particularly a sheet resistance of ⁇ 20 k ⁇ / ⁇ or ⁇ 20 k ⁇ /Square).
- Pure molybdenum oxide layers do have attractive electro-optical properties, but they usually have an etching rate that is too high in common wet etching media (e.g.
- Such molybdenum oxide-containing layers are produced industrially in a coating process using cathode sputtering ("sputtering").
- sputtering cathode sputtering
- the metal atoms of the target material react to a large extent only with the oxygen from the process gas during the coating process, so that the process control is made more difficult by hysteresis effects (discontinuous changes in the layer deposition rate, the discharge current and/or the target voltage due to changes in the oxygen partial pressure) and poisoning of the target surface (target poisoning).
- the deposition of a sputtering target with oxidic target material is advantageous under industrial conditions, since the coating process can be carried out either with a pure noble gas process gas (usually argon) or with noble gas (usually argon) as the main component to which small amounts of other gases, such as oxygen, are added.
- the use of oxide target material enables higher coating rates and greater process stability while simplifying process control.
- the EN 10 2012 112 739 A1 describes a substoichiometric target material in which an oxygen deficiency is set either by a reduced oxide phase of substoichiometric and thus electrically conductive oxide or oxynitride based on Nb 2 O 5-y , TiO 2-y , MoO 3-y , WO 3-y , V 2 O 5-y (y>0) or mixtures thereof alone or by the reduced oxide phase together with a metallic admixture.
- M is at least one metal from the group Ti, Nb, Ta, Mo, W, Zr and Hf.
- the document EN 10 2014 111935 A1 describes a sputtering target containing a mixture of various substoichiometric metal oxides of different metals such as Mo, W, Nb, Ti, Ta, V, etc.
- the starting powders were Nb 2 O 5 , MoOs and MoO 2 , the synthesis conditions were analogous to those for (Mo 1-x Ta x ) 5 O 14 , but the mixed oxide in a temperature range of 600 - 750 °C.
- the object of the present invention is to provide doped molybdenum oxide-containing sputtering targets in which a stable sputtering process can be set for producing high-quality layers, wherein the sputtering targets can be produced cost-effectively and reliably on an industrial scale.
- the target material has - based on a micrograph of the same and measured with a Raman microscope (by means of Raman spectroscopy) - a matrix phase consisting of a mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 with 0.01 ⁇ x ⁇ 0.13, where M in this mixed oxide is one or more elements from the group tantalum (Ta), niobium (Nb), vanadium (V) and titanium (Ti).
- the present invention is based on the finding that, with regard to the process stability of the sputtering process, it is advantageous if the oxygen content of the target material is identical or essentially identical to that of the layer to be produced.
- the oxygen content (wt.%) of the target material and the oxygen content (wt.%) of the layer to be produced preferably differ from one another by a maximum of ⁇ 2 wt.%.
- a supply of oxygen via the process gas is therefore not necessary or only required to a small extent, which suppresses hysteresis effects and simplifies the process control.
- the at least one doping element M is contained in the target material.
- the at least one doping element M can in principle be present in elemental form in the target (ie in metallic form, e.g. as Ta, Nb, V, Ti), it can be present as an oxide (e.g. Ta 2 O 5 , V 2 O 5 , Nb 2 O 5 , TiO 2 ), it can be present as a substoichiometric oxide and furthermore it can form a mixed oxide with one or more of the above-mentioned molybdenum oxides and/or with one or more oxides of the at least one further doping element M.
- the present invention is based on the The finding is that different phases of the target material, particularly if they are partially insulating or dielectric, can lead to particle formation through the formation of arcs during sputtering. This can result in layer defects or damage to the sputtering target.
- the strength of oxide targets is rather low, especially if the microstructure has several different, unevenly distributed, coarse and/or porous phases. It is particularly critical with regard to strength if phases have different densities or CTE's (CTE: coefficient of thermal expansion) and/or adjacent phases are not sufficiently firmly connected to one another due to, for example, diffusion pores, different lattice types, etc.
- phase homogeneity and layer stoichiometry of the layers produced can be inadequate, especially if there are several unevenly distributed, coarse and porous phases of the target material.
- Some of the phases e.g. MoOs
- the (Mo 1-x M x ) 5 O 14 mixed oxide phase with 0.01 ⁇ x ⁇ 0.13 provided according to the invention is particularly advantageous in the target material because it is electrically conductive, has no water solubility and is stable under ambient conditions. Furthermore, the doping element M is also bound (at least partially) in this matrix phase and thus in an electrically conductive phase and evenly distributed over the target material. Since this mixed oxide phase forms the matrix phase according to the invention, in which any second phases present (preferably finely distributed) can be embedded, it takes up a significant portion of the target material that passes through the sputtering target, whereby the entire target material is characterized by these advantageous properties. For example, electrical conductivity is thus ensured throughout the entire target material.
- the sputtering target according to the invention can be produced on an industrial scale as a compact component (compact target material of e.g. at least 1 kg per target segment) with high relative density and high phase purity within short process times (e.g. holding times typically ⁇ 12 hours), as will be described in more detail below.
- Sputtering also known as cathode sputtering, is a physical process in which atoms or molecules are released from a solid body (target material) by bombardment with high-energy ions (e.g. noble gas ions of the process gas) and pass into the gas phase. To produce thin layers, the sputtered target material is deposited on a substrate and forms a solid layer there.
- This coating process sometimes also known as sputter deposition, is one of the PVD processes (PVD: physical vapor deposition) and is also referred to below as "sputtering”.
- the target material is the solid material of a sputtering target that is intended for sputtering during the sputtering process and for layer formation (if necessary together with other materials from the process gas and/or other sputtering targets).
- the sputtering target can be formed exclusively by the target material or can also have further components connected to the target material directly or indirectly (i.e. via at least one further component), such as back plate(s), support tube(s), connection piece(s), insert(s).
- the sputtering target (and accordingly the target material) can be provided in different geometries, in particular as a planar sputtering target with different basic shapes, such as square, rectangular, round, etc., or as a tubular sputtering target.
- the target material forms in particular a macroscopic solid with an extension along at least one spatial direction of at least 0.03 m (meters).
- an “oxidic” target material is understood to mean that the metals contained in the target material are essentially completely present as oxides.
- the proportion of metallic phases in the target material based on a micrograph of the same is ⁇ 1 vol.%.
- the proportion of metallic phases in the target material is below the detection limit using the Raman measurements used here and described in more detail below.
- the target material is referred to as "electrically conductive” if it has an electrical conductivity of at least 80 S/m, measured using a resistance measuring station (Ulvac ZEM3) using the 4-point measuring method.
- phase of the target material is understood to be a spatial region of the same within which there is a uniform chemical composition and a uniform crystal structure, whereby the orientation of the individual crystal grains within a phase can be different.
- a “mixed oxide” is understood to mean an oxide with a crystal structure in which the crystal lattice is composed of oxygen ions and cations of several elements (in this case in particular Mo and at least one doping element M).
- a “matrix phase” is understood to mean that it permeates the target material in a coherent, percolating network in which any additional phases (“second phases”) are embedded as island-shaped regions (observable on the micrograph with a Raman microscope using Raman spectroscopy).
- the determination of the various phases and their volume fractions as well as the density of the target material is carried out using a representative cross-section of a sample, whereby - since an isotropic structure can be assumed - the volume data are derived from the area fractions measured on the cut surface (ie the volume fractions correspond to the measured area fractions).
- a metallographic section of the sample is produced using dry preparation, whereby Raman spectroscopy is used with a Raman microscope for the spatially resolved determination of the various metal oxide phases. As explained below As described in detail, in Raman spectroscopy the sample surface of the target material to be analyzed is scanned point by point with a laser beam and a complete Raman spectrum is created for each measuring point ("Raman mapping").
- the volume data (or the identical area data) of the various metal oxide phases are standardized and relative to the total volume (or the total area) occupied by the material particles (grains) of the target material.
- the volume (or the identical area) occupied by the pores of the target material is excluded from this total volume (or this total area).
- the volume data (or the identical area data) of the individual metal oxide phases therefore add up to 100% without the pore volume.
- the target material can be formed from several metal oxides of different chemical composition (which then form different phases).
- the respective metal oxide can be a stoichiometric or a substoichiometric metal oxide of exactly one metal or alternatively of several metals (ie in the latter case a mixed oxide).
- Mo forms the main component according to the invention with regard to the metals contained (which are present as cations), ie the Mo content (Mo; in at.%) relative to the sum of all metals contained (Me; in at.%) including the Mo content (Mo; in at.%), ie Mo/(Me+Mo) is at least 50%. In particular, it is at least 80%, even more preferably at least 84%.
- the target material in addition to Mo and the at least one doping element M, other metals may also be contained in the target material.
- the other metals contained in the target material in addition to Mo - apart from any impurities that may be present - are formed exclusively by the at least one doping element M.
- the target material can contain two or more doping elements M from the group Ta, Nb, V and Ti.
- the target material only contains exactly one doping element M from this group.
- this exactly one doping element M is Ta or alternatively Nb.
- the wet etching rate in a common aluminum etchant (mixture of phosphoric acid, nitric acid, acetic acid and water) can be reduced to an acceptable level.
- the wet etching rate in copper etchants based on hydrogen peroxide can also be influenced by adding Ta or Nb.
- Ta or Ta oxide powder is a starting product that is available in large quantities, but is subject to strong price fluctuations.
- Nb or Nb oxide powder is usually available at a cheaper price.
- the target material may contain manufacturing-related "impurities” (metals as well as non-metals), such as tungsten (W), sodium (Na), potassium (K), antimony (Sb), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), carbon (C) and nitrogen (N).
- impurities metal as well as non-metals
- W tungsten
- Na sodium
- K potassium
- K antimony
- V vanadium
- Cr chromium
- Fe iron
- C carbon
- N nitrogen
- the total content of such impurities is typically ⁇ 1,000 ⁇ g/g.
- the mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 will contain two or more doping elements M from the group Ta, Nb, V and Ti. In particular, however, the mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 will contain only one doping element M from this group. Furthermore, according to the present invention, it is basically possible for several different mixed oxides (Mo 1-x M x ) 5 O 14 , each with M as one or more elements from the group Ta, Nb, V and Ti, to be contained in the target material, with exactly one of these mixed oxides then forming the said matrix phase. In particular, the following applies to the range x within the Mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 of the matrix phase 0.02 ⁇ x ⁇ 0.12.
- the matrix phase in the target material made up of the mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 has a proportion of ⁇ 60 vol.%, i.e. it is in the range of 60-100 vol.%, based on a micrograph of the target material - measured with a Raman microscope (using Raman spectroscopy).
- the proportion is ⁇ 75 vol.%, i.e. it is in the range of 75-100 vol.%, even more preferably the proportion is ⁇ 90 vol.%, i.e. it is in the range of 90-100 vol.%.
- the higher the proportion of the mixed oxide phase the more the target material is characterized by the advantageous properties of this matrix phase explained above.
- a very high proportion is only achieved if the composition of the target material approximates the ratio of the relevant elements in the mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 .
- the proportion is 100 vol.% (ie no second phases are detectable).
- the composition of the target material must largely correspond to the ratio of the elements in the mixed oxide.
- the proportion of the second phase MoOs is in the range of 0 - 2 vol.%, i.e. the proportion is ⁇ 2 vol.%.
- the proportion of the second phase MoOs should be kept as low as possible, since MoOs is electrically insulating (electrical conductivity less than 1 ⁇ 10 -5 S/m), which can lead to particle formation during the coating process.
- MoOs is water-soluble, which is disadvantageous during mechanical processing and storage of the target.
- a second phase MoOs in the target material is not detectable at all using Raman spectroscopy (i.e. measured proportion of 0 vol.%), or - if it cannot be completely avoided - is kept to a proportion in the range of 0.1 - 1.0 vol.%.
- the oxygen content in wt.% is in the range from 26 to 32 wt.%.
- the oxygen content in the deposited layer influences the optical reflection, so that a largely corresponding oxygen content, which is typically in the above-mentioned range, is preferably set in the target material.
- sufficient electrical conductivity is achieved within this range, so that a DC (direct current) sputtering process is possible (while electrically insulating targets have to be sputtered with an RF (RF: radio frequency; i.e. high frequency) sputtering process (i.e. alternating current), which is associated with increased costs (particularly with regard to the design of the sputtering system).
- RF radio frequency
- the oxygen content can - as described in more detail below - be adjusted during production by weighing in appropriate oxide-containing powders, so that the weighed-in oxygen content (in relation to the weighed-in metal content) corresponds to the desired oxygen content of the target material.
- the oxygen content mentioned is favorable for the sintering behavior and the formation of the mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 during production. It is useful to consider only the total oxygen content in the target material, since the exact occupancy of the various lattice sites in the metal oxide phases can also change depending on the temperature.
- the total oxygen content in the target material is determined by carrier gas hot extraction (Detection of oxygen as CO or CO 2 using an infrared measuring cell, e.g. with a LECO RO300 or LECO 836 device).
- the proportion of the (at least one) doping element M in at.% in the target material relative to the total content of Mo and the doping element M in at.% in total, ie M/(Mo+M), is in the range of 0.02 - 0.15.
- a minimum content of the (at least one) doping element M is required so that the mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 can form as a matrix phase in the target material.
- the proportion x of the doping element M within the matrix phase (Mo 1-x M x ) 5 O 14 can vary to a certain extent and can therefore also be slightly reduced.
- a minimum content of the doping element M is required so that the desired properties of the layer produced (in particular with regard to wet etching behavior) are present.
- too high a content of the doping element M is disadvantageous because the doping element M can then no longer be absorbed in the matrix phase and consequently leads to an increased proportion of the oxide of the doping element (e.g. Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , V 2 O 5 , TiO 2 ) in the form of a second phase.
- the reflection of the layers produced increases again with increasing content of the doping element M (e.g. Ta) and the etching rate no longer corresponds to the desired range.
- the range of 0.05 - 0.12 for the ratio M/(Mo+M) is particularly preferred.
- the desired ratio M/(Mo+M) can be set during production by weighing out corresponding powders, since this remains largely unchanged with the production route described below.
- the proportions of the metals contained in the target material itself as well as the ratio M/(Mo+M) can be determined by chemical analysis, in particular by ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy) or ICP-OES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry).
- the doping element M is formed by Ta in the target material and the matrix phase of the mixed oxide is formed by (Mo 1-x Ta x ) 6 O 14 with 0.06 ⁇ x ⁇ 0.08.
- the Ta content x in the matrix phase (Mo 1-x Ta x ) 6 O 14 has the value 0.07.
- x is generally within the range 0.06 ⁇ x ⁇ 0.08, with the matrix phase being formed stably in this range.
- Ta is particularly preferred with regard to influencing the wet etching rate and availability.
- the matrix phase (Mo 1-x Ta x ) 6 O 14 has also proven to be particularly advantageous in practice.
- the added doping element M (here: Ta) is incorporated into the matrix phase of the mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 and preferably the doping element M (here: Ta) - if it is not completely incorporated - is present as a metal oxide (e.g. mixed oxide, Ta 2 O 5 ) and not as a metallic element.
- Ta as a metallic phase would lead to significantly different properties.
- the proportion of Ta 2 O 5 is also preferably relatively low, since Ta 2 O 5 is dielectric and can therefore be the cause of particles and layer defects during sputtering.
- Ta 2 O 5 would be optically transparent as a thin partial layer in the produced layer and would therefore impair the optical properties of the layer.
- Ta (preferably as the only doping element M contained) is present in the target material entirely as a metal oxide (e.g. mixed oxide, Ta 2 O 5 ) (i.e. not as a metallic element), wherein in the target material, based on a micrograph of the same - measured with a Raman microscope (by means of Raman spectroscopy) - the proportion of the phase Ta 2 O 5 is ⁇ 3 vol.% (i.e. proportion of 0-3 vol.%), preferably ⁇ 1 vol.% (i.e. proportion of 0-1 vol.%).
- a metal oxide e.g. mixed oxide, Ta 2 O 5
- the proportion of the phase Ta 2 O 5 is ⁇ 3 vol.% (i.e. proportion of 0-3 vol.%), preferably ⁇ 1 vol.% (i.e. proportion of 0-1 vol.%).
- the doping element M in the target material is formed by Nb and the matrix phase of the mixed oxide is formed by (Mo 1-x Nb x ) 5 O 14 with 0.07 ⁇ x ⁇ 0.12.
- x is usually within the range of 0.07 ⁇ x ⁇ 0.12, whereby the matrix phase is formed stably in this range.
- Nb is advantageous in terms of influencing the wet etching rate and low-cost availability, also because the matrix phase is formed stably over a wider range of 0.07 ⁇ x ⁇ 0.12.
- the added doping element M (here: Nb) is incorporated into the matrix phase of the mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 and preferably the doping element M (here: Nb) - if it is not completely incorporated - is present as a metal oxide (e.g. mixed oxide, Nb 2 O 5 ) and not as a metallic element.
- Nb preferably as the only doping element M contained is present in the target material entirely as a metal oxide (e.g.
- the target material has a relative density of ⁇ 95% (i.e. in a range of 95 - 99.9%), in particular of ⁇ 97% (i.e. in a range of 97 - 99.9%), preferably of ⁇ 98% (i.e. in a range of 98 - 99.9%).
- a compact target material with a high relative density is important for the quality of the deposited layers, since less dense target materials can lead to lightning discharges ("Ares") and particle formation during sputtering.
- the relative density is determined by means of digital image analysis based on light microscopic images of the metallographic section of the target material, in which the relative surface area "FA” of the pores (FA: surface area of the pores relative to the total area examined) is evaluated.
- the relative density then corresponds to the value (1-FA), where it is calculated as the arithmetic mean of three such porosity measurements. The procedure is described in detail below.
- the target material has an electrical conductivity of ⁇ 100 S/m at 25°C. This enables DC sputtering and sufficient electrical conductivity is also achieved in the produced layer.
- the electrical conductivity is measured using the 4-point measuring method via a resistance measuring station (e.g. Ulvac ZEM3).
- the target material is in the form of a (macroscopic) solid produced by powder metallurgy.
- the powder metallurgy production route which is not according to the invention, enables cost-effective production of the target material on an industrial scale as a compact component (compact target material of e.g. at least 1 kg per target segment) with high relative density and high phase purity within short process times (e.g. holding times typically ⁇ 12 hours).
- Powder metallurgical production is understood to mean that corresponding starting powders (which, in the case of several powders, are mixed beforehand) are compacted by applying pressure and/or temperature.
- the powder metallurgical production leads to a characteristic microstructure of the target material, in particular to a multi-phase and fine-grained structure.
- the powder metallurgical production is easily recognizable by a person skilled in the art on the basis of a micrograph of the target material in a light microscope, in a scanning electron microscope (SEM) or via a Raman microscope.
- SEM scanning electron microscope
- the starting powder is preferably a powder mixture of MoO 2 , MoO 3 , optionally containing small amounts of substoichiometric molybdenum oxides such as in particular Mo 4 O 11 , and one or more oxides of the doping element M (Ta 2 O 5 , V 2 O 5 , Nb 2 O 5 , TiO 2 ).
- the amounts of the various powders are weighed in such a way that the desired ratio of the elements Mo, M and O is set.
- MoO 2 and MoOs are easily accessible, inexpensive and thermodynamically stable raw materials under ambient conditions, easy to handle.
- Substoichiometric oxides can by reduction of MoOs powder in an appropriate atmosphere such as H 2 .
- the powders used are very fine-grained (with d50 values typically ⁇ 10 ⁇ m) and are mixed very well before the compaction step.
- the coarse fraction > 63 ⁇ m is sieved off in the MoO 2 powder and the powder from the oxide of the doping element M (and possibly also in the substoichiometric molybdenum oxides) using an appropriate sieving step (e.g. sieve with a mesh size of 63 ⁇ m).
- a particularly fine powder is also used for the MoOs powder (e.g. with a d50 value of 3 ⁇ m, particle size measurement by laser diffraction, e.g. using a Malvern device).
- the powders are preferably mixed in an intensive mixer or with a plowshare mixer, whereby care must be taken to ensure that the powders are very well mixed.
- Compaction can be carried out in particular by means of hot pressing, hot isostatic pressing, spark plasma sintering (SPS) or press sintering.
- Compaction takes place in particular at temperatures between 600 and 800 °C and pressing pressures between 15 and 110 MPa.
- Compaction preferably takes place in a vacuum or in a protective gas atmosphere (e.g. argon), especially if elevated temperatures are set.
- SPS spark plasma sintering
- compaction takes place by applying pressure and temperature, with the heat being generated internally by an electric current passed through the powder mixture.
- hot pressing compaction also takes place by applying pressure and temperature, with the heat being supplied from outside via a heated mold.
- hot isostatic pressing the starting powder is in a closed capsule and compaction takes place by applying pressure and temperature to the capsule.
- compaction by means of press sintering the starting powder is pressed into a green compact. and then sintered by heat treatment below the melting temperature.
- the starting powders are converted into the target material in a solid phase reaction or, depending on the chemical composition and process conditions, also in a liquid phase reaction or multi-phase reaction (e.g. solid-liquid).
- the reactions that take place are similar to a comproportionation: MoOs is reduced to possibly different substoichiometric oxides (e.g. Mo 18 O 52 , MoO 4 O 11 , ...), while MoO 2 is at least partially oxidized to possibly different substoichiometric oxides.
- At least one oxide of the doping element M (Ta 2 O 5 , V 2 O 5 , Nb 2 O 5 , TiO 2 ) is incorporated to a high extent into the mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 to form the matrix phase.
- mechanical post-processing can be carried out, for example using cutting tools, to achieve the desired final geometry or surface preparation (setting the desired surface roughness). If necessary, further components such as back plate(s), support tube(s), connection piece(s), insert(s) must be attached to complete the sputtering target.
- one or more second phases are formed in the matrix phase as finely and evenly distributed, small islands.
- the islands of the second phase(s) have an equivalent circular diameter (each calculated from the relevant area of the island, shown in the form of a circle with the same area and with an "equivalent circular diameter") of ⁇ 60 ⁇ m each.
- the number of "small islands with an equivalent circular diameter of ⁇ 60 ⁇ m each" is considered relative to the total number of islands in a representatively selected, analyzed area of 1,000 ⁇ m ⁇ 1,000 ⁇ m.
- This fine island structure of the second phase(s) can be visualized with a Raman image of the microsection and can be evaluated accordingly by means of quantitative image analysis with regard to the area and size of the islands.
- the present invention further relates to the use of a sputtering target according to the present invention, which can additionally be designed according to one or more of the developments and variants described above, for the gas phase deposition of a molybdenum oxide-containing layer, wherein the sputtering process is carried out as a DC sputtering process or pulsed DC sputtering process in a noble gas atmosphere without oxygen or alternatively with the supply of at most 20 vol.% oxygen as a reactive gas.
- direct current sputtering, or DC sputtering a direct voltage is applied between the sputtering target connected as a cathode and an anode (usually the housing of the coating system and/or shielding plates in the vacuum chamber).
- the DC sputtering process or pulsed DC sputtering process takes place in a noble gas atmosphere, in particular an argon gas atmosphere, preferably non-reactively without the additional supply of oxygen.
- a noble gas atmosphere in particular an argon gas atmosphere
- the layers deposited in this way may have a slightly lower oxygen content than the target material used due to a slight oxygen depletion during the coating process (removal of oxygen formed via the extracted process gas), although this can vary slightly depending on the coating system and operating mode.
- the target material can also be reactively sputtered with the addition of a maximum of 20 vol.% oxygen (based on the composition of the reactive gas), preferably ⁇ 10 vol.%, even more preferably ⁇ 5 vol.%, whereby the amount of oxygen supplied can be kept comparatively low by using an oxidic target material.
- a maximum of 20 vol.% oxygen based on the composition of the reactive gas
- ⁇ 10 vol.% even more preferably ⁇ 5 vol.%
- MoO 2 powder (Plansee SE; d50 value of approx. 6 ⁇ m) is sieved in a sieve with a mesh size of 63 ⁇ m, whereby the coarse fraction >63 ⁇ m is not reused.
- 40 mol.% of the MoO 2 powder obtained in this way is mixed with 57 mol.% MoOs powder (Molymet, present with a d50 value of approx. 3 ⁇ m) and 3 mol.% tantalum pentoxide powder (HC Starck, d50 value of approx. 2 ⁇ m; sieved to ⁇ 63 ⁇ m; Ta 2 O 5 ) in a plowshare mixer (Lödige) for 20 minutes, so that a homogeneous distribution between the powder components is achieved.
- the resulting powder mixture is placed in a graphite mold with dimensions of 0250 mm (i.e. diameter of 250 mm) and a height of 50 mm and compacted in a hot press under vacuum at a pressure of 30 MPa, a temperature of 800 °C and a holding time of 480 minutes.
- the compacted component has a relative density of 97.5%.
- the majority of the resulting target material consists of the matrix phase of the mixed oxide (Mo 0.93 Ta 0.07 ) 5 O 14 with a proportion of 79.4 vol.%.
- the target material also has a MoO 2 phase with a proportion of 8.5 vol.% and a Mo 4 O 11 phase with a proportion of 12.1 vol.%.
- MoO 2 powder (Plansee SE; d50 value of approx. 6 ⁇ m) is sieved in a sieve with a mesh size of 63 ⁇ m, whereby the coarse fraction >63 ⁇ m is not reused.
- 40 mol.% of the MoO 2 powder obtained in this way is mixed with 57 mol.% MoOs powder (Molymet, in this case with a d50 value of approx. 3 ⁇ m) and 3 mol.% tantalum pentoxide powder (HC Starck, d50 value of approx. 2 ⁇ m; sieved to ⁇ 63 ⁇ m; Ta 2 O 5 ) in an intensive mixer (Eirich) for 10 minutes, so that a homogeneous distribution between the powder components is achieved.
- MoOs powder Molymet, in this case with a d50 value of approx. 3 ⁇ m
- tantalum pentoxide powder HC Starck, d50 value of approx. 2 ⁇ m; sieved to ⁇ 63
- the resulting powder mixture is placed in a graphite mold with dimensions of 0250 mm (i.e. diameter of 250 mm) and a height of 50 mm and compacted in a hot press under vacuum at a pressure of 30 MPa, a temperature of 800 °C and a holding time of 360 minutes.
- the compacted component has a relative density of 99.5%.
- the majority of the target material obtained consists of the matrix phase of the mixed oxide (Mo 0.93 Ta 0.07 ) 5 O 14 with a proportion of 94.3 vol.%.
- the target material also has a MoO 2 phase with a proportion of 2.6 vol.%, a Mo 4 O 11 phase with a proportion of 3.0 vol.% and a Ta 2 O 5 phase with a proportion of 0.1 vol.%.
- Fig.7 The microstructure of the target material produced in this way, determined by Raman mapping, is shown.
- areas with Mo0 2 phase, areas with Mo 4 O 11 phase and areas with Ta 2 O 5 phase can be seen, corresponding to the phase proportions shown above.
- These different Phases are embedded in a matrix which is formed by the (Moo. 93 Tao.o 7 ) 5 0i 4 phase.
- Fig.8 As a comparative example, a Raman mapping of a target material is shown which does not have a matrix phase of the mixed oxide (Mo 0.93 Ta 0.07 ) 5 O 14 .
- the (Mo 0.93 Ta 0.07 ) 5 O 14 phase is present in a proportion of 24.0 vol.%.
- the Mo 4 O 11 phase accounts for 50.3 vol.%, the MoO 2 phase for 12.5 vol.%, the Mo 18 O 52 phase for 5.0 vol.%, the Ta 2 O 3 phase for 2.4 vol.% and the MoOs phase for 5.8 vol.%.
- the phases within the target material of the comparative example are significantly coarser and more unevenly distributed compared to the target material according to the invention from Fig.7 .
- MoO 2 powder (Plansee SE; d50 value of approx. 6 ⁇ m) is sieved in a sieve with a mesh size of 63 ⁇ m, whereby the coarse fraction >63 ⁇ m is not reused.
- 52 mol.% of the MoO 2 powder obtained in this way is mixed with 42 mol.% MoOs powder (Molymet, present with a d50 value of approx. 3 ⁇ m) and 6 mol.% tantalum pentoxide powder (HC Starck, d50 value of approx. 2 ⁇ m; sieved to ⁇ 63 ⁇ m; Ta 2 O 5 ) in a plowshare mixer (Lödige) for 20 minutes, so that a homogeneous distribution between the powder components is achieved.
- the resulting powder mixture is placed in a graphite mold with dimensions of 0250 mm (i.e. diameter of 250 mm) and a height of 50 mm and compacted in a hot press under vacuum at a pressure of 30 MPa, a temperature of 800 °C and a holding time of 480 minutes.
- the compacted component has a relative density of 97.5%.
- the majority of the resulting target material consists of the matrix phase of the mixed oxide (Mo 0.93 Ta 0.07 ) 5 O 14 with a proportion of 80.3 vol.%.
- the resulting target material has a MoO 2 phase with a proportion of 18.9 vol.%, a Mo 4 O 11 phase with a proportion of 0.2 vol.% and a Ta 2 O 5 phase with a proportion of 0.6 vol.%.
- MoO 2 powder (Plansee SE; d50 value of approx. 6 ⁇ m) is sieved in a sieve with a mesh size of 63 ⁇ m, whereby the coarse fraction >63 ⁇ m is not reused. 45 mol.% of the MoO 2 powder obtained in this way is mixed with 51 mol.% MoOs powder (Molymet, in this case with a d50 value of approx. 3 ⁇ m) and 4 mol.% niobium pentoxide powder (HC Starck, d50 value of approx.
- the resulting powder mixture is placed in a graphite mold with dimensions of 0250 mm (i.e. diameter of 250 mm) and a height of 50 mm and compacted in a hot press under vacuum at a pressure of 30 MPa, a temperature of 800 °C and a holding time of 360 minutes.
- the majority of the resulting target material consists of the matrix phase of the mixed oxide (Mo 0.91 Nb 0.09 ) 5 O 14 phase with a proportion of 78.6 vol.%.
- the compacted component has a relative density of 98.2%.
- the resulting target material has a MoO 2 phase with a proportion of 18.7 vol.%, a Mo 4 O 11 phase with a proportion of 2.6 vol.% and a Nb 2 O 3 phase with a proportion of 0.1 vol.%.
- MoO 2 powder (Plansee SE; d50 value of approx. 6 ⁇ m) is sieved in a sieve with a mesh size of 63 ⁇ m, whereby the coarse fraction >63 ⁇ m is not reused. 39 mol.% of the MoO 2 powder obtained in this way is ground with 52 mol.% MoOs powder (Molymet, in this case with a d50 value of approx. 3 ⁇ m) and 8 mol.% titanium dioxide powder (rutile; d50 value of ⁇ 1 ⁇ m; TiO 2 ) in a ball mill for 10 minutes and then mixed in an intensive mixer (Eirich) for 10 minutes to achieve a homogeneous distribution between the powder components.
- MoOs powder Molymet, in this case with a d50 value of approx. 3 ⁇ m
- titanium dioxide powder rutile; d50 value of ⁇ 1 ⁇ m; TiO 2
- the resulting powder mixture is placed in a graphite mold with dimensions of ⁇ 100mm and a height of 50 mm and compacted in a hot press under vacuum at a pressure of 30 MPa, a temperature of 800 °C and a holding time of 120 min.
- the compacted The component has a relative density of 91.2%.
- the target material obtained has a matrix phase of the mixed oxide (Mo 0.97 Ti 0.03 ) 5 O 14 .
- the molybdenum-tantalum oxide target materials produced according to Example 1 and Example 2 were sputtered non-reactively under specified process conditions in comparison with a non-inventive molybdenum-tantalum oxide target material (reference) in order to determine the layer properties.
- the molybdenum-tantalum oxide target material used as a reference had the same composition as in Examples 1 and 2, but without a matrix phase made of the mixed oxide (Mo 0.93 Ta 0.07 ) 5 O 14 being present.
- a sputtering power of 100 W and an argon process pressure of 5.0 ⁇ 10 -3 mbar (22 sccm; sscm: standard cubic centimeters per minute) were used.
- the deposition rate of the sputtering targets used is in Fig.9 shown, with the left column in Fig.9 the target material from Example 1 (Ex. 1), the middle column corresponds to the target material from Example 2 (Ex. 2) and the right column corresponds to the target material of the reference.
- the reflectivity of the layers produced was used as a criterion for the assessment.
- glass substrates Cornning Eagle XG, 50 ⁇ 50 ⁇ 0.7 mm 3
- the molybdenum-tantalum oxide target materials mentioned above, produced according to Example 1 and Example 2 were sputtered non-reactively under specified process conditions in comparison with the above-mentioned non-inventive molybdenum-tantalum oxide target material (reference).
- the reflection was measured through the glass substrate using a Perkin Elmer Lambda 950 photospectrometer over the specified wavelength range.
- the layer thickness of the molybdenum-tantalum oxide was varied in a range from 40 to 60 nm.
- the results from this series of tests for a molybdenum-tantalum oxide layer thickness of 50 nm are shown in Fig.10 where the reflectivity in (%) is plotted against the wavelength in (nm; nanometers).
- Reflectivity curves from example 1 (example 1; dotted curve) and example 2 (example 2; dashed curve) almost lie on top of each other, except that the reflectivity curve of example 1 is slightly increased in the range of higher wavelengths. The curves lie significantly below the solid reflectivity curve of the non-inventive reference.
- the target materials according to Examples 1 and 2 achieve a lower reflectivity over the wavelength range considered (see Fig.10 ), and this with comparable separation rates (see Fig.9 ). Furthermore, the target materials according to the invention have the other advantages explained above. In particular, due to their electrical conductivity and advantageous phase composition (matrix phase; fine distribution of the second phases), they have a preferred sputtering behavior (uniform sputtering rate while avoiding arcs and particle formation), which has a positive effect on the layer quality (homogeneous layer composition; uniform layer thickness).
- a metallographic section was produced from a representative sample part using dry preparation.
- a sample with an area of approx. 10-15 ⁇ 10-15 mm 2 was cut using a dry cutting method (diamond wire saw, band saw, etc.), cleaned using compressed air, then embedded in phenolic resin while warm and conductive (C-doped), ground and polished. Since at least the MoOs phase portion is water-soluble, dry preparation is important. The section obtained in this way was then analyzed using a light microscope.
- a Raman microscope Horiba LabRAM HR800
- a confocal light microscope Olympus BX41
- a complete Raman spectrum was created for each of the 201 ⁇ 201 measuring points ("Raman mapping").
- Raman spectra are obtained from the backscattered radiation, which is split wavelength-dispersively by an optical grating (300 lines/mm; spectral resolution: 2.6 cm -1 ) and recorded using a CCD detector (1024 ⁇ 256 pixel multichannel CCD; spectral range: 200-1050 nm).
- a microscope objective with 100x magnification and numerical aperture NA of 0.9, which is used to focus the laser beam from the Raman spectrometer, a theoretical measuring point size of 0.7 ⁇ m 2 was achieved.
- the excitation energy density (5 mW/ ⁇ m 2 ) is chosen to be low enough to avoid phase transformations in the sample.
- the penetration depth of the excitation radiation is limited to a few micrometers for molybdenum oxides (in the case of pure MoOs, for example, to approx. 4 ⁇ m).
- the Raman signal was averaged over 1 s (s: second) acquisition time, resulting in a sufficiently good signal-to-noise ratio.
- Horiba LabSpec 6 evaluation software a two-dimensional representation of the surface composition of the sample was created, from which the domain size, area proportions, etc. of the various phases can be determined quantitatively.
- Fig. 1 to 6 reference spectra of (Mo 0.93 Ta 0.07 ) 5 O 14 ( Fig.1 ), Ta 2 O 5 ( Fig.2 ), Mon 18 O 52 ( Fig.3 ), MoO2 ( Fig.4 ), MoOs ( Fig.5 ), Mon 4 O 11 ( Fig.6 ) (in the individual spectra, the intensity (number) of scattered light is plotted against the Raman shift (cm -1 )).
- the analysis and assignment of the Raman spectra is carried out using the "Multivariate Analysis Module" of the above-mentioned evaluation software using the CLS method (classical least square fitting).
- Each measurement point is then assigned a color that corresponds to a metal oxide phase, whereby only the phase with the highest weighting factor c i is used for the color assignment.
- the size (the amount) of the weighting factor c i determines the brightness of the measurement point. This procedure is justified insofar as the spectrum of a measurement point can usually be clearly assigned to a single metal oxide phase.
- the analytical method described here is very well suited for determining the relative phase proportions of the phases in question.
- the relative density of the target material is determined by digital image analysis of light microscopic images of the metallographic section, in which the relative surface area "FA" of the pores is determined. After preparation of the samples, three bright field images were taken each with a size of 1 ⁇ 1mm 2 at 100x magnification, whereby zones of obvious breakouts or other damage patterns such as scratches due to dry preparation were avoided where possible.
- the image area to be measured was set (ROI) to exclude the scale bar.
- the result is the relative area share "FA” of the pores (in percent) and the image colored according to the selected grayscale interval (colored means that this pixel was included in the measurement and was therefore counted as a pore).
- the value (1-FA) for the relative density was determined as the arithmetic mean of three such porosity measurements.
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sputteringtarget zur Herstellung molybdänoxidhaltiger Schichten sowie die Verwendung solch eines Sputteringtargets zur Gasphasen-Abscheidung einer molybdänoxidhaltigen Schicht.The present invention relates to a sputtering target for producing molybdenum oxide-containing layers and the use of such a sputtering target for the gas phase deposition of a molybdenum oxide-containing layer.
Molybdänoxidhaltige Schichten (insbesondere auf Basis von Molybdänoxid) haben interessante optische Eigenschaften und finden deshalb insbesondere Anwendung bei Schichtstrukturen in optischen bzw. optoelektronischen Applikationen wie beispielsweise elektronischen Displays. Ihre Anwendung erfolgt häufig in Kombination mit bzw. direkt angrenzend zu metallischen Schichten aus z.B. Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Titan (Ti), oder (metallischem) Molybdän (Mo), die z.B. als elektrische Leiterbahnen fungieren. Ein Anwendungsbeispiel von Molybdänoxidschichten ist
Wichtige Eigenschaften wie Lichtabsorptions-, Lichtreflexions-, Lichttransmissionsgrad, Ätzrate, thermische Stabilität sowie Stabilität gegenüber weiteren im Fertigungsprozess eingesetzten Chemikalien (z.B. Fotolack-Entwickler bzw. -Entferner), hängen von der genauen stöchiometrischen Zusammensetzung der abgeschiedenen molybdänoxidhaltigen Schicht sowie den zugefügten Dotierungselementen (z.B. Ta, Nb, etc.) ab. Die Ätzrate ist dabei relevant bei anschließender Strukturierung der abgeschiedenen Schicht mittels Fotolithographie in Verbindung mit einem nasschemischen Ätzprozess. So werden in vielen Anwendungen, wie beispielsweise bei dem oben genannten kapazitiven Berührungssensor, molybdänoxidhaltige Schichten gefordert, in denen das Oxid (Molybdänoxid und/oder ein molybdänhaltiges Mischoxid) in einer substöchiometrischen Zusammensetzung vorliegt, d.h. das Oxid hat unbesetzte Sauerstoff-Valenzen und es liegen in der abgeschiedenen molybdänoxidhaltigen Schicht Sauerstofffehlstellen vor. In solchen substöchiometrischen molybdänoxidhaltigen Schichten (insbesondere auf Basis von Molybdänoxid) können interessante elektro-optische Eigenschaften erzielt werden, wie beispielsweise eine hohe Lichtabsorption (und korrespondierend damit eine niedrige Lichtreflektion) im sichtbaren Wellenlängenbereich, insbesondere bei einer Referenzwellenlänge von 550 nm, und gleichzeitig eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit (insbesondere von einem Flächenwiderstand < 20 kΩ/□ bzw. < 20 kΩ/Square). Reine Molybdänoxid-Schichten haben zwar attraktive elektro-optische Eigenschaften, sie weisen jedoch in der Regel in gängigen Nassätzmedien (z.B. PAN-Ätze auf der Basis von Phosphorsäure, Salpetersäure und Essigsäure zum Strukturieren von Aluminium-Metallisierungen, Ätze auf H2O2-Basis zum Strukturieren von Cu) eine zu hohe Ätzrate auf, was zu instabilen Ätzergebnissen führt. Durch die Zugabe von Dotierungselementen in die substöchiometrische molybdänoxidhaltige Schicht (und entsprechend in das Targetmaterial des Sputteringtargets), wie z.B. von Ta und/oder Nb, kann die Ätzrate auf ein akzeptables Niveau abgesenkt werden, ohne dass sich die elektro-optischen Eigenschaften erheblich ändern.Important properties such as light absorption, light reflection, light transmission, etching rate, thermal stability and stability against other chemicals used in the manufacturing process (e.g. photoresist developer or remover) depend on the precise stoichiometric composition of the deposited molybdenum oxide-containing layer and the added doping elements (e.g. Ta, Nb, etc.). The etching rate is relevant for subsequent structuring of the deposited layer using photolithography in conjunction with a wet-chemical etching process. In many applications, such as the capacitive touch sensor mentioned above, molybdenum oxide-containing layers are required in which the oxide (molybdenum oxide and/or a molybdenum-containing mixed oxide) is present in a substoichiometric composition, i.e. the oxide has unoccupied oxygen valences and there are oxygen vacancies in the deposited molybdenum oxide-containing layer. In such substoichiometric molybdenum oxide-containing Layers (particularly based on molybdenum oxide) can achieve interesting electro-optical properties, such as high light absorption (and correspondingly low light reflection) in the visible wavelength range, particularly at a reference wavelength of 550 nm, and at the same time sufficient electrical conductivity (particularly a sheet resistance of < 20 kΩ/□ or < 20 kΩ/Square). Pure molybdenum oxide layers do have attractive electro-optical properties, but they usually have an etching rate that is too high in common wet etching media (e.g. PAN etching based on phosphoric acid, nitric acid and acetic acid for structuring aluminum metallizations, H 2 O 2 -based etching for structuring Cu), which leads to unstable etching results. By adding doping elements into the substoichiometric molybdenum oxide-containing layer (and correspondingly into the target material of the sputtering target), such as Ta and/or Nb, the etching rate can be reduced to an acceptable level without significantly changing the electro-optical properties.
Derartige molybdänoxidhaltige Schichten (insbesondere auf Basis von Molybdänoxid) werden industriell in einem Beschichtungsprozess mittels Kathodenzerstäubung ("Sputtern") hergestellt. Grundsätzlich ist es zwar möglich, solche molybdänoxidhaltigen Schichten durch reaktives Sputtern eines metallischen Targetmaterials, das z.B. in einer entsprechend eingestellten Argon- und Sauerstoff-Prozessgasatmosphäre reaktiv gesputtert wird, herzustellen. Die Metallatome des Targetmaterials reagieren dabei zu einem hohen Anteil erst während des Beschichtungsprozesses mit dem Sauerstoff aus dem Prozessgas, so dass die Prozessführung durch Hystereseeffekte (diskontinuierliche Änderungen der Schichtabscheiderate, des Entladungsstromes und/oder der Targetspannung aufgrund von Änderungen des Sauerstoffpartialdruckes) und Vergiftung der Targetoberfläche (Engl. target poisoning) erschwert wird. Demgegenüber ist die Abscheidung von einem Sputteringtarget mit oxidischem Targetmaterial unter industriellen Bedingungen vorteilhaft, da der Beschichtungsprozess entweder mit einem reinen Edelgas-Prozessgas (in der Regel Argon) oder mit Edelgas (in der Regel Argon) als Hauptbestandteil, dem geringe Mengen weiterer Gase, wie z.B. Sauerstoff, zugesetzt sind, durchgeführt werden kann. Insbesondere werden beim Einsatz oxidischen Targetmaterials höhere Beschichtungsraten und eine höhere Prozessstabilität unter gleichzeitiger Vereinfachung der Prozessführung ermöglicht. Des Weiteren sind viele bereits installierte Beschichtungsanlagen lediglich für das Abscheiden von metallischen Schichten von einem metallischen Sputteringtarget ausgelegt und erlauben deshalb nicht die Zudosierung von Sauerstoff in das Sputtergas. Die Vielseitigkeit solcher einsetzbaren Sputteranlagen kann durch den Einsatz eines oxidischen Targetmaterials erhöht werden.Such molybdenum oxide-containing layers (particularly those based on molybdenum oxide) are produced industrially in a coating process using cathode sputtering ("sputtering"). In principle, it is possible to produce such molybdenum oxide-containing layers by reactive sputtering of a metallic target material, which is reactively sputtered, for example, in an appropriately adjusted argon and oxygen process gas atmosphere. The metal atoms of the target material react to a large extent only with the oxygen from the process gas during the coating process, so that the process control is made more difficult by hysteresis effects (discontinuous changes in the layer deposition rate, the discharge current and/or the target voltage due to changes in the oxygen partial pressure) and poisoning of the target surface (target poisoning). In contrast, the deposition of a sputtering target with oxidic target material is advantageous under industrial conditions, since the coating process can be carried out either with a pure noble gas process gas (usually argon) or with noble gas (usually argon) as the main component to which small amounts of other gases, such as oxygen, are added. In particular, the use of oxide target material enables higher coating rates and greater process stability while simplifying process control. Furthermore, many coating systems that are already installed are only designed for the deposition of metallic layers from a metallic sputtering target and therefore do not allow the addition of oxygen to the sputtering gas. The versatility of such sputtering systems can be increased by using an oxide target material.
Die
Das Dokument
Losgelöst von den oben genannten Herausforderungen und Rahmenbedingungen bezüglich molybdänoxidhaltiger Schichten und entsprechender Targetmaterialien ist in wissenschaftlichen Veröffentlichungen die Herstellung pulverförmiger, molybdänhaltiger Mischoxidverbindungen im labortechnischen Maßstab (d.h. Produktmengen von wenigen Gramm) mit Haltezeiten bei erhöhten Temperaturen von einer oder mehreren Wochen beschrieben. So beschreiben zum Beispiel Ekström und Nygren (
Dementsprechend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, dotierte molybdänoxidhaltige Sputteringtargets bereitzustellen, bei denen ein stabiler Sputterprozess zur Herstellung qualitativ hochwertiger Schichten einstellbar ist, wobei die Sputteringtargets kostengünstig und prozesssicher in industriellem Maßstab herstellbar sein sollen.Accordingly, the object of the present invention is to provide doped molybdenum oxide-containing sputtering targets in which a stable sputtering process can be set for producing high-quality layers, wherein the sputtering targets can be produced cost-effectively and reliably on an industrial scale.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Sputteringtarget gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Verwendung eines Sputteringtargets gemäß Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The object is achieved by a sputtering target according to
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Sputteringtarget mit einem elektrisch leitfähigen, oxidischen Targetmaterial bereitgestellt. Das Targetmaterial besteht dabei mindestens aus einem Metalloxid
- von Molybdän (Mo) als metallischem Hauptbestandteil und
- von mindestens einem Dotierungselement M aus der Gruppe Tantal (Ta), Niob (Nb), Vanadium (V) und Titan (Ti).
- of molybdenum (Mo) as the main metallic component and
- of at least one doping element M from the group tantalum (Ta), niobium (Nb), vanadium (V) and titanium (Ti).
Das Targetmaterial weist dabei - bezogen auf ein Schliffbild desselben und gemessen mit einem Raman-Mikroskop (mittels Raman-Spektroskopie) - eine Matrixphase aus einem Mischoxid (Mo1-xMx)5O14 mit 0,01 ≤ x ≤ 0,13 auf, wobei M in diesem Mischoxid eines oder mehrere Elemente der Gruppe Tantal (Ta), Niob (Nb), Vanadium (V) und Titan (Ti) ist.The target material has - based on a micrograph of the same and measured with a Raman microscope (by means of Raman spectroscopy) - a matrix phase consisting of a mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 with 0.01 ≤ x ≤ 0.13, where M in this mixed oxide is one or more elements from the group tantalum (Ta), niobium (Nb), vanadium (V) and titanium (Ti).
Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass es im Hinblick auf die Prozessstabilität des Sputterprozesses vorteilhaft ist, wenn der Sauerstoffgehalt des Targetmaterials identisch oder im Wesentlichen identisch zu demjenigen der herzustellenden Schicht ist. Vorzugsweise weichen der Sauerstoffgehalt (Gew.%) des Targetmaterials und der Sauerstoffgehalt (Gew.%) der herzustellenden Schicht um maximal ± 2 Gew.% voneinander ab. Eine Zuführung von Sauerstoff über das Prozessgas ist damit nicht oder nur zu einem geringen Anteil erforderlich, wodurch Hystereseeffekte unterdrückt und die Prozessführung vereinfacht werden.The present invention is based on the finding that, with regard to the process stability of the sputtering process, it is advantageous if the oxygen content of the target material is identical or essentially identical to that of the layer to be produced. The oxygen content (wt.%) of the target material and the oxygen content (wt.%) of the layer to be produced preferably differ from one another by a maximum of ± 2 wt.%. A supply of oxygen via the process gas is therefore not necessary or only required to a small extent, which suppresses hysteresis effects and simplifies the process control.
Ferner ist zu berücksichtigen, dass grundsätzlich eine Vielzahl von Phasenzusammensetzungen eines dotierten, molybdänoxidhaltigen Targetmaterials möglich sind. Zum einen kann Molybdän in unterschiedlichen Oxidationsstufen vorliegen, insbesondere in Form von MoO2, von MoO3, sowie in Form einer Mehrzahl von substöchiometrischen Oxiden MoOy, wie z.B. Mo4O11 (y=2,75), Mo17O47 (y=2,76), Mo6O14 (y=2,8), Mo3O23 (y=2,875), Mo9O26 (y=2,89) und Mo18O52 (y=2,89), wobei Mo9O26 die Hochtemperaturmodifikation und Mo18O52 die Tieftemperaturmodifikation bildet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das mindestens eine Dotierungselement M in dem Targetmaterial enthalten ist. Bezüglich der möglichen Phasenzusammensetzungen des Targetmaterials kommen hierdurch weitere Freiheitsgrade hinzu, denn das mindestens Dotierungselement M kann grundsätzlich elementar in dem Target (d.h. in metallischer Form, z.B. als Ta, Nb, V, Ti) vorliegen, es kann als Oxid vorliegen (z.B. Ta2O5, V2O5, Nb2O5, TiO2), es kann als substöchiometrisches Oxid vorliegen sowie ferner kann es ein Mischoxid mit einem oder mehreren der oben genannten Molybdänoxide und/oder mit einem oder mehreren Oxiden des mindestens eines weiteren Dotierungselements M bilden. Im Hinblick auf die Vielzahl an möglichen Phasenzusammensetzungen liegt der vorliegenden Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass unterschiedliche Phasen des Targetmaterials, insbesondere wenn sie teilweise isolierend oder dielektrisch sind, zu Partikelbildung durch Ausbildung von Lichtbögen (Arcs) beim Sputtern führen können. In Folge dessen kann es zu Schichtfehlern oder Beschädigung des Sputteringtargets kommen. Weiterhin ist die Festigkeit von oxidischen Targets eher gering, vor allem wenn die Mikrostruktur mehrere unterschiedliche, ungleichmäßig verteilte, grobe und/oder poröse Phasen aufweist. Besonders kritisch im Hinblick auf die Festigkeit ist es, wenn Phasen unterschiedliche Dichten oder CTE's (CTE: coefficient of thermal expansion; thermischer Ausdehnungskoeffizient) haben und/oder aneinander angrenzende Phasen aufgrund von z.B. Diffusionsporen, unterschiedlichen Gittertypen, etc., nicht ausreichend fest miteinander verbunden sind. Verschiedene Phasen weisen teilweise auch unterschiedliche Sputterraten auf, wodurch gerade bei mehreren, ungleichmäßig verteilten, groben und porösen Phasen des Targetmaterials die Schichthomogenität und die Schichtstöchiometrie der hergestellten Schichten unzureichend sein können. Teilweise sind die Phasen (z.B. MoOs) bedingt wasserlöslich, wodurch es beim Herstellprozess (z.B. mechanische Bearbeitung, Reinigung) zu Änderungen der Stöchiometrie im Oberflächenbereich und/oder zur Einlagerung von Restfeuchtigkeit kommen kann, was sich wiederum negativ auf den Sputterprozess sowie die hergestellte Schicht auswirken kann (z.B. Beeinträchtigung des Vakuums, Einlagerung von H2O in die Schicht).Furthermore, it must be taken into account that in principle a large number of phase compositions of a doped target material containing molybdenum oxide are possible. On the one hand, molybdenum can be present in different oxidation states, in particular in the form of MoO 2 , of MoO 3 , and in the form of a plurality of substoichiometric oxides MoO y , such as Mo 4 O 11 (y=2.75), Mo 17 O 47 (y=2.76), Mo 6 O 14 (y=2.8), Mo 3 O 23 (y=2.875), Mo 9 O 26 (y=2.89) and Mo 18 O 52 (y=2.89), where Mo 9 O 26 forms the high-temperature modification and Mo 18 O 52 forms the low-temperature modification. According to the invention, it is provided that the at least one doping element M is contained in the target material. With regard to the possible phase compositions of the target material, this adds further degrees of freedom, because the at least one doping element M can in principle be present in elemental form in the target (ie in metallic form, e.g. as Ta, Nb, V, Ti), it can be present as an oxide (e.g. Ta 2 O 5 , V 2 O 5 , Nb 2 O 5 , TiO 2 ), it can be present as a substoichiometric oxide and furthermore it can form a mixed oxide with one or more of the above-mentioned molybdenum oxides and/or with one or more oxides of the at least one further doping element M. In view of the large number of possible phase compositions, the present invention is based on the The finding is that different phases of the target material, particularly if they are partially insulating or dielectric, can lead to particle formation through the formation of arcs during sputtering. This can result in layer defects or damage to the sputtering target. Furthermore, the strength of oxide targets is rather low, especially if the microstructure has several different, unevenly distributed, coarse and/or porous phases. It is particularly critical with regard to strength if phases have different densities or CTE's (CTE: coefficient of thermal expansion) and/or adjacent phases are not sufficiently firmly connected to one another due to, for example, diffusion pores, different lattice types, etc. Different phases sometimes also have different sputtering rates, which means that the layer homogeneity and layer stoichiometry of the layers produced can be inadequate, especially if there are several unevenly distributed, coarse and porous phases of the target material. Some of the phases (e.g. MoOs) are conditionally water-soluble, which can lead to changes in the stoichiometry in the surface area and/or to the storage of residual moisture during the manufacturing process (e.g. mechanical processing, cleaning), which in turn can have a negative effect on the sputtering process and the produced layer (e.g. impairment of the vacuum, storage of H 2 O in the layer).
Demgegenüber wurde festgestellt, dass die erfindungsgemäß vorgesehene (Mo1-xMx)5O14-Mischoxidphase mit 0,01 ≤ x ≤ 0,13 in dem Targetmaterial besonders vorteilhaft ist, da sie elektrisch leitfähig ist, keine Wasserlöslichkeit aufweist und unter Umgebungsbedingungen stabil ist. Weiterhin ist dadurch auch das Dotierungselement M (zumindest anteilig) in dieser Matrixphase und damit in einer elektrisch leitfähigen Phase gebunden und gleichmäßig über das Targetmaterial verteilt. Indem diese Mischoxidphase erfindungsgemäß die Matrixphase bildet, in der gegebenenfalls vorhandene Zweitphasen (vorzugsweise feinverteilt) eingelagert sein können, nimmt sie einen erheblichen und durch das Sputteringtarget hindurchgehenden Anteil des Targetmaterials ein, wodurch das gesamte Targetmaterial mit diesen vorteilhaften Eigenschaften geprägt wird. Zum Beispiel ist damit eine elektrische Leitfähigkeit durch das gesamte Targetmaterial hindurch gegeben und ein Kontakt mit Wasser ist relativ unkritisch, da die Matrix hierdurch nicht angegriffen wird. Wie oberhalb erläutert wird, sind diese Eigenschaften vorteilhaft im Hinblick auf eine gleichmäßige Sputterrate, auf die Vermeidung von Lichtbögen (Arcs) und Partikelbildung, auf eine homogene Schichtzusammensetzung und eine gleichmäßige Schichtdicke, auf eine stabile Prozessführung während des Sputterprozesses sowie im Hinblick auf eine einfache Herstellung, Aufbewahrung und Handhabung des Sputteringtargets. Weiterhin vorteilhaft ist, dass das erfindungsgemäße Sputteringtarget in industriellem Maßstab als kompaktes Bauteil (kompaktes Targetmaterial von z.B. mindestens 1 kg pro Targetsegment) mit hoher relativer Dichte und hoher Phasenreinheit innerhalb kurzer Prozesszeiten (z.B. Haltezeiten typischerweise < 12 Stunden) herstellbar ist, wie nachstehend noch im Detail beschrieben wird.In contrast, it was found that the (Mo 1-x M x ) 5 O 14 mixed oxide phase with 0.01 ≤ x ≤ 0.13 provided according to the invention is particularly advantageous in the target material because it is electrically conductive, has no water solubility and is stable under ambient conditions. Furthermore, the doping element M is also bound (at least partially) in this matrix phase and thus in an electrically conductive phase and evenly distributed over the target material. Since this mixed oxide phase forms the matrix phase according to the invention, in which any second phases present (preferably finely distributed) can be embedded, it takes up a significant portion of the target material that passes through the sputtering target, whereby the entire target material is characterized by these advantageous properties. For example, electrical conductivity is thus ensured throughout the entire target material. and contact with water is relatively uncritical since the matrix is not attacked. As explained above, these properties are advantageous with regard to a uniform sputtering rate, the avoidance of arcs and particle formation, a homogeneous layer composition and a uniform layer thickness, stable process control during the sputtering process and with regard to simple production, storage and handling of the sputtering target. A further advantage is that the sputtering target according to the invention can be produced on an industrial scale as a compact component (compact target material of e.g. at least 1 kg per target segment) with high relative density and high phase purity within short process times (e.g. holding times typically < 12 hours), as will be described in more detail below.
Das "Sputtern", auch Kathodenzerstäubung genannt, ist ein physikalischer Vorgang, bei dem Atome oder Moleküle aus einem Festkörper (Targetmaterial) durch Beschuss mit energiereichen Ionen (z.B. Edelgasionen des Prozessgases) herausgelöst werden und in die Gasphase übergehen. Zur Herstellung dünner Schichten wird das zerstäubte Targetmaterial auf einem Substrat abgeschieden und bildet dort eine feste Schicht aus. Dieser zum Teil auch als Sputterdeposition bezeichnete Beschichtungsvorgang zählt zu den PVD-Verfahren (PVD: physical vapour deposition; physikalische Gasphasenabscheidung) und wird nachfolgend ebenfalls als "Sputtern" bezeichnet. Als Targetmaterial wird dasjenige als Festkörper vorliegende Material eines Sputteringtargets bezeichnet, das für die Zerstäubung während des Sputterprozesses und für die Schichtbildung (ggf. gemeinsam mit weiteren Materialien aus dem Prozessgas und/oder von weiteren Sputteringtargets) vorgesehen ist. Das Sputteringtarget kann ausschließlich durch das Targetmaterial gebildet werden oder darüber hinaus auch noch weitere, mit dem Targetmaterial direkt oder mittelbar (d.h. über mindestens ein weiteres Bauteil) verbundene Bauteile aufweisen, wie z.B. Rückplatte(n), Trägerrohr(e), Anschlussstück(e), Einsätz(e). Das Sputteringtarget (und entsprechend das Targetmaterial) kann dabei in unterschiedlichen Geometrien bereitgestellt werden, insbesondere als planares Sputteringtarget mit unterschiedlichen Grundformen, wie z.B. quadratisch, rechteckig, rund, etc., oder auch als rohrförmiges Sputteringtarget. Das Targetmaterial bildet insbesondere einen makroskopischen Festkörper mit einer Ausdehnung entlang mindestens einer Raumrichtung von mindestens 0,03 m (Meter)."Sputtering", also known as cathode sputtering, is a physical process in which atoms or molecules are released from a solid body (target material) by bombardment with high-energy ions (e.g. noble gas ions of the process gas) and pass into the gas phase. To produce thin layers, the sputtered target material is deposited on a substrate and forms a solid layer there. This coating process, sometimes also known as sputter deposition, is one of the PVD processes (PVD: physical vapor deposition) and is also referred to below as "sputtering". The target material is the solid material of a sputtering target that is intended for sputtering during the sputtering process and for layer formation (if necessary together with other materials from the process gas and/or other sputtering targets). The sputtering target can be formed exclusively by the target material or can also have further components connected to the target material directly or indirectly (i.e. via at least one further component), such as back plate(s), support tube(s), connection piece(s), insert(s). The sputtering target (and accordingly the target material) can be provided in different geometries, in particular as a planar sputtering target with different basic shapes, such as square, rectangular, round, etc., or as a tubular sputtering target. The target material forms in particular a macroscopic solid with an extension along at least one spatial direction of at least 0.03 m (meters).
Unter einem "oxidischen" Targetmaterial wird verstanden, dass die in dem Targetmaterial enthaltenen Metalle im Wesentlichen vollständig als Oxide vorliegen. Insbesondere ist in dem Targetmaterial der Anteil an metallischen Phasen bezogen auf ein Schliffbild desselben < 1 Vol.%. Insbesondere ist der Anteil an metallischen Phasen in dem Targetmaterial unterhalb der Nachweisgrenze mittels der hier angewandten und nachstehend noch näher beschriebenen Raman-Messungen. Als "elektrisch leitfähig" wird das Targetmaterial dann bezeichnet, wenn es eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 80 S/m aufweist, gemessen über einen Widerstands-Messstand (Ulvac ZEM3) mit der 4-Punkt-Messmethode. Als "Phase" des Targetmaterials wird ein räumlicher Bereich desselben verstanden, innerhalb dessen eine einheitliche chemische Zusammensetzung und eine einheitliche Kristallstruktur gegeben ist, wobei die Ausrichtung der einzelnen Kristallkörner innerhalb einer Phase unterschiedlich sein kann. Als "Mischoxid" wird ein Oxid mit einer Kristallstruktur verstanden, bei dem sich das Kristallgitter aus Sauerstoffionen sowie Kationen mehrerer Elemente (vorliegend insbesondere von Mo und mindestens ein Dotierungselement M) zusammensetzt. Unter einer "Matrixphase" wird vorliegend verstanden, dass diese das Targetmaterial in einem zusammenhängenden, perkolierenden Netzwerk durchzieht, in das ggf. vorhandene weitere Phasen ("Zweitphasen") als inselförmige Bereiche eingebettet sind (zu beobachten am Schliffbild mit einem Raman-Mikroskop mittels Raman-Spektroskopie).An "oxidic" target material is understood to mean that the metals contained in the target material are essentially completely present as oxides. In particular, the proportion of metallic phases in the target material based on a micrograph of the same is < 1 vol.%. In particular, the proportion of metallic phases in the target material is below the detection limit using the Raman measurements used here and described in more detail below. The target material is referred to as "electrically conductive" if it has an electrical conductivity of at least 80 S/m, measured using a resistance measuring station (Ulvac ZEM3) using the 4-point measuring method. The "phase" of the target material is understood to be a spatial region of the same within which there is a uniform chemical composition and a uniform crystal structure, whereby the orientation of the individual crystal grains within a phase can be different. A "mixed oxide" is understood to mean an oxide with a crystal structure in which the crystal lattice is composed of oxygen ions and cations of several elements (in this case in particular Mo and at least one doping element M). In this context, a "matrix phase" is understood to mean that it permeates the target material in a coherent, percolating network in which any additional phases ("second phases") are embedded as island-shaped regions (observable on the micrograph with a Raman microscope using Raman spectroscopy).
Die Bestimmung der verschiedenen Phasen und deren Volumenanteile sowie auch der Dichte des Targetmaterials erfolgen anhand eines repräsentativen Querschnitts einer Probe, wobei - da ein isotropes Gefüge angenommen werden kann - die Volumenangaben aus an der Schnittfläche gemessenen Flächenanteilen abgeleitet werden (d.h. die Volumenanteile entsprechen den gemessenen Flächenanteilen). Mittels Trockenpräparation wird hierzu ein metallographischer Schliff der Probe hergestellt, wobei zur ortsaufgelösten Bestimmung der verschiedenen Metalloxid-Phasen die Raman-Spektroskopie unter Einsatz eines Raman-Mikroskops angewendet wird. Wie nachstehend noch im Detail beschrieben ist, wird bei der Raman-Spektroskopie die zu analysierende Probenoberfläche des Targetmaterials punktweise mit einem Laserstrahl abgerastert und für jeden Messpunkt ein vollständiges Raman-Spektrum erstellt ("Raman-Mapping"). Durch Vergleich des erhaltenen Raman-Spektrums für jeden Messpunkt mit Referenzspektren von verschiedenen, in Frage kommenden Metalloxiden, wird jedem Messpunkt eine entsprechende Phase zugeordnet und so eine zweidimensionale Darstellung der Phasenzusammensetzung der Probe erstellt, aus der sich dann die Flächenanteile (bzw. die Volumenanteile) der verschiedenen Phasen berechnen lassen. Die (Mo1-xMx)5O14 Matrixphase kann mittels Raman-Spektroskopie eindeutig identifiziert werden. Ein Referenz-Ramanspektrum einer (Mo0,93Ta0,07)5O14-Phase ist in
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Targetmaterial aus mehreren Metalloxiden unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung (die dann unterschiedliche Phasen bilden), gebildet werden. Dabei kann das jeweilige Metalloxid ein stöchiometrisches oder ein substöchiometrisches Metalloxid von genau einem Metall oder alternativ von mehreren Metallen (d.h. in letzterem Fall ein Mischoxid) sein. In dem Targetmaterial bildet Mo erfindungsgemäß bzgl. der enthaltenen Metalle (die als Kationen vorliegen), den Hauptbestandteil, d.h. der Mo-Anteil (Mo; in at.%) relativ zu der Summe aller enthaltenen Metalle (Me; in at.%) einschließlich des Mo-Anteils (Mo; in at.%), d.h. Mo/(Me+Mo) beträgt mindestens 50%. Insbesondere beträgt er mindestens 80%, noch bevorzugter mindestens 84%. Grundsätzlich können neben Mo und dem mindestens einen Dotierungselement M auch noch weitere Metalle in dem Targetmaterial enthalten sein. Vorzugsweise werden jedoch die weiteren, in dem Targetmaterial neben Mo enthaltenen Metalle - abgesehen von ggf. vorhandenen Verunreinigungen - ausschließlich durch das mindestens eine Dotierungselement M gebildet. Grundsätzlich können in dem Targetmaterial zwei oder mehrere Dotierungselemente M aus der Gruppe Ta, Nb, V und Ti enthalten sein. Insbesondere ist in dem Targetmaterial aber nur genau ein Dotierungselement M aus dieser Gruppe enthalten. Bevorzugt ist dieses genau eine Dotierungselement M Ta oder alternativ Nb. Durch die Zugabe von Ta und/oder Nb als Dotierungselement kann die Naßätzrate in einem gängigen Aluminium-Ätzmittel (Mischung aus Phosphorsäure, Salpetersäure, Essigsäure und Wasser) auf ein akzeptables Maß abgesenkt werden. Auch die Naßätzrate in Kupfer-Ätzmitteln auf Basis von Wasserstoffperoxid kann durch Zugabe von Ta oder Nb beeinflusst werden. Ta bzw. Ta-Oxid-Pulver ist ein Ausgangsprodukt, das in großen Mengen verfügbar ist, jedoch starken Preisschwankungen unterliegt. Nb bzw. Nb-Oxid-Pulver ist in der Regel zu einem günstigeren Preis verfügbar.According to the present invention, the target material can be formed from several metal oxides of different chemical composition (which then form different phases). The respective metal oxide can be a stoichiometric or a substoichiometric metal oxide of exactly one metal or alternatively of several metals (ie in the latter case a mixed oxide). In the target material, Mo forms the main component according to the invention with regard to the metals contained (which are present as cations), ie the Mo content (Mo; in at.%) relative to the sum of all metals contained (Me; in at.%) including the Mo content (Mo; in at.%), ie Mo/(Me+Mo) is at least 50%. In particular, it is at least 80%, even more preferably at least 84%. In principle, in addition to Mo and the at least one doping element M, other metals may also be contained in the target material. Preferably, however, the other metals contained in the target material in addition to Mo - apart from any impurities that may be present - are formed exclusively by the at least one doping element M. In principle, the target material can contain two or more doping elements M from the group Ta, Nb, V and Ti. In particular, however, the target material only contains exactly one doping element M from this group. Preferably, this exactly one doping element M is Ta or alternatively Nb. By adding Ta and/or Nb as a doping element, the wet etching rate in a common aluminum etchant (mixture of phosphoric acid, nitric acid, acetic acid and water) can be reduced to an acceptable level. The wet etching rate in copper etchants based on hydrogen peroxide can also be influenced by adding Ta or Nb. Ta or Ta oxide powder is a starting product that is available in large quantities, but is subject to strong price fluctuations. Nb or Nb oxide powder is usually available at a cheaper price.
Wie erwähnt, können in dem Targetmaterial herstellungsbedingte "Verunreinigungen" (Metalle wie auch Nichtmetalle) enthalten sein, wie z.B. Wolfram (W), Natrium (Na), Kalium (K), Antimon (Sb), Vanadium (V), Chrom (Cr), Eisen (Fe), Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N). Der Gesamtgehalt solcher Verunreinigungen ist typischerweise < 1.000 µg/g.As mentioned, the target material may contain manufacturing-related "impurities" (metals as well as non-metals), such as tungsten (W), sodium (Na), potassium (K), antimony (Sb), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), carbon (C) and nitrogen (N). The total content of such impurities is typically < 1,000 µg/g.
Grundsätzlich werden gemäß der vorliegenden Erfindung in dem Mischoxid (Mo1-xMx)5O14 zwei oder mehrere Dotierungselemente M aus der Gruppe Ta, Nb, V und Ti enthalten sein. Insbesondere ist in dem Mischoxid (Mo1-xMx)5O14 aber nur genau ein Dotierungselement M aus dieser Gruppe enthalten. Weiterhin ist grundsätzlich gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass auch mehrere unterschiedliche Mischoxide (Mo1-xMx)5O14, jeweils mit M als eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe Ta, Nb, V und Ti, in dem Targetmaterial enthalten sind, wobei dann genau eines dieser Mischoxide die genannte Matrixphase bildet. Insbesondere gilt für den Bereich x innerhalb des Mischoxids (Mo1-xMx)5O14 der Matrixphase 0,02 ≤ x ≤ 0,12.Basically, according to the present invention, the mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 will contain two or more doping elements M from the group Ta, Nb, V and Ti. In particular, however, the mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 will contain only one doping element M from this group. Furthermore, according to the present invention, it is basically possible for several different mixed oxides (Mo 1-x M x ) 5 O 14 , each with M as one or more elements from the group Ta, Nb, V and Ti, to be contained in the target material, with exactly one of these mixed oxides then forming the said matrix phase. In particular, the following applies to the range x within the Mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 of the matrix phase 0.02 ≤ x ≤ 0.12.
Gemäß der Erfindung wird das Targetmaterial durch mindestens ein Metalloxid
- von Molybdän (Mo) als metallischem Hauptbestandteil und
- von mindestens einem Dotierungselement M aus der Gruppe Tantal (Ta), Niob (Nb), Vanadium (V) und Titan (Ti)
- of molybdenum (Mo) as the main metallic component and
- of at least one doping element M from the group tantalum (Ta), niobium (Nb), vanadium (V) and titanium (Ti)
Erfindungsgemäss weist in dem Targetmaterial die Matrixphase aus dem Mischoxid (Mo1-xMx)5O14 bezogen auf ein Schliffbild des Targetmaterials - gemessen mit einem Raman-Mikroskop (mittels Raman-Spektroskopie) - einen Anteil von ≥ 60 Vol.% auf, d.h. er liegt in dem Bereich von 60-100 Vol.%. Insbesondere beträgt der Anteil ≥ 75 Vol.%, d.h. er liegt in dem Bereich von 75-100 Vol.%, noch bevorzugter beträgt der Anteil ≥ 90 Vol.%, d.h. er liegt in dem Bereich von 90-100 Vol.%. Je höher der Anteil der Mischoxidphase ist, desto stärker wird das Targetmaterial durch die oberhalb erläuterten, vorteilhaften Eigenschaften dieser Matrixphase geprägt. Ein sehr hoher Anteil wird nur dann erzielt, wenn die Zusammensetzung des Targetmaterials dem Verhältnis der betreffenden Elemente in dem Mischoxid (Mo1-xMx)5O14 angenähert ist. Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung beträgt der Anteil 100 Vol.% (d.h. es sind keine Zweitphasen nachweisbar). Zur Erreichung von 100 Vol.% muss die Zusammensetzung des Targetmaterials weitgehend dem Verhältnis der Elemente in dem Mischoxid entsprechen. Bzgl. der Bestimmung des Anteils in Vol.% wird auf die voranstehende allgemeine Beschreibung sowie auf die nachstehende detaillierte Beschreibung bzgl. der Probenpräparation und der Raman-Spektroskopie Bezug genommen.According to the invention, the matrix phase in the target material made up of the mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 has a proportion of ≥ 60 vol.%, i.e. it is in the range of 60-100 vol.%, based on a micrograph of the target material - measured with a Raman microscope (using Raman spectroscopy). In particular, the proportion is ≥ 75 vol.%, i.e. it is in the range of 75-100 vol.%, even more preferably the proportion is ≥ 90 vol.%, i.e. it is in the range of 90-100 vol.%. The higher the proportion of the mixed oxide phase, the more the target material is characterized by the advantageous properties of this matrix phase explained above. A very high proportion is only achieved if the composition of the target material approximates the ratio of the relevant elements in the mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 . According to one embodiment of the invention, the proportion is 100 vol.% (ie no second phases are detectable). To achieve 100 vol.%, the composition of the target material must largely correspond to the ratio of the elements in the mixed oxide. Regarding the determination of the proportion in vol.%, reference is made to the general description above and to the detailed description below regarding sample preparation and Raman spectroscopy.
Erfindungsgemäss besteht das Targetmaterial zudem aus
- a. MoO2 und Mo4O11 sowie
- b. optional einer oder mehrerer Verbindung(en) aus der Gruppe:
- MoO3,
- weiterer substöchiometrischer Molybdänoxide aus der Gruppe Mo17O47, Mo5O14, Mo6O23, Mo9O26 und Mo18O52,
- stöchiometrischer (z.B. Ta2O5) und/oder substöchiometrischer (z.B. Ta2O5-l; 0<l<1) Ta-Oxid(e),
- stöchiometrischer (z.B. Nb2O5) und/oder substöchiometrischer (z.B. Nb2O5-m; 0<m<1) Nb-Oxid(e),
- stöchiometrischer (z.B. V2O5) und/oder substöchiometrischer (z.B. V2O5-n; 0<n<1) V-Oxid(e), und
- stöchiometrischer (z.B. TiO2) und/oder substöchiometrischer (z.B. TiO2-o; 0<o<1) Ti-Oxid(e),
- a. MoO 2 and Mo 4 O 11 and
- b. optionally one or more compounds from the group:
- MoO3 ,
- other substoichiometric molybdenum oxides from the group Mo 17 O 47 , Mo 5 O 14 , Mo 6 O 23 , Mo 9 O 26 and Mo 18 O 52 ,
- stoichiometric (e.g. Ta 2 O 5 ) and/or substoichiometric (e.g. Ta 2 O 5-l ; 0<l<1) Ta oxide(s),
- stoichiometric (e.g. Nb 2 O 5 ) and/or substoichiometric (e.g. Nb 2 O 5-m ; 0<m<1) Nb oxide(s),
- stoichiometric (e.g. V 2 O 5 ) and/or substoichiometric (e.g. V 2 O 5-n ; 0<n<1) V oxide(s), and
- stoichiometric (e.g. TiO 2 ) and/or substoichiometric (e.g. TiO 2-o ; 0<o<1) Ti oxide(s),
In dem Targetmaterial liegt, bezogen auf ein Schliffbild desselben - gemessen mit einem Raman-Mikroskop (mittels Raman-Spektroskopie) - der Anteil der Zweitphase MoOs im Bereich von 0 - 2 Vol.%, d.h. der Anteil ist ≤ 2 Vol.%. Der Anteil der Zweitphase MoOs sollte möglichst niedrig gehalten werden, da MoOs elektrisch isolierend ist (elektrische Leitfähigkeit kleiner als 1 × 10-5 S/m), was zu Partikelbildung beim Beschichtungsprozess führen kann. Zudem ist MoOs wasserlöslich, was nachteilig bei der mechanischen Bearbeitung sowie der Lagerung des Targets ist. Vorzugsweise ist eine Zweitphase MoOs in dem Targetmaterial mittels Raman- Spektroskopie überhaupt nicht nachweisbar (d.h. gemessener Anteil von 0 Vol.%), bzw. wird - wenn sie nicht ganz vermeidbar ist - auf einen Anteil im Bereich von 0,1 - 1,0 Vol.% gehalten.In the target material, based on a micrograph of the same - measured with a Raman microscope (using Raman spectroscopy) - the proportion of the second phase MoOs is in the range of 0 - 2 vol.%, i.e. the proportion is ≤ 2 vol.%. The proportion of the second phase MoOs should be kept as low as possible, since MoOs is electrically insulating (electrical conductivity less than 1 × 10 -5 S/m), which can lead to particle formation during the coating process. In addition, MoOs is water-soluble, which is disadvantageous during mechanical processing and storage of the target. Preferably, a second phase MoOs in the target material is not detectable at all using Raman spectroscopy (i.e. measured proportion of 0 vol.%), or - if it cannot be completely avoided - is kept to a proportion in the range of 0.1 - 1.0 vol.%.
In dem erfindungsgemäßen Targetmaterial liegt der Sauerstoff-Gehalt in Gew.% im Bereich von 26 bis 32 Gew.%. Der Sauerstoff-Gehalt in der abgeschiedenen Schicht beeinflusst die optische Reflexion, so dass vorzugsweise in dem Targetmaterial ein weitgehend entsprechender Sauerstoff-Gehalt, der typischerweise in dem oben genannten Bereich liegt, eingestellt wird. Weiterhin wird innerhalb dieses Bereiches eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit erzielt, so dass ein DC (direct current; Gleichstrom) Sputterprozess ermöglicht wird (während elektrisch isolierende Targets mit einem RF (RF: radio frequency; d.h. Hochfrequenz) Sputterprozess (d.h. Wechselstrom) gesputtert werden müssen, was mit erhöhten Kosten (insbesondere bzgl. der Ausgestaltung der Sputteranlage) verbunden ist. Der Sauerstoff-Gehalt kann dabei - wie nachstehend noch ausführlicher beschrieben wird - im Rahmen der Herstellung durch Einwaage entsprechender oxidhaltiger Pulver eingestellt werden, so dass der eingewogene Sauerstoff-Anteil (im Verhältnis zu dem eingewogenen MetallAnteil) dem gewünschten Sauerstoff-Gehalt des Targetmaterials entspricht. Gleichzeitig ist der genannte Sauerstoff-Gehalt günstig für das Sinterverhalten und die Ausbildung des Mischoxids (Mo1-xMx)5O14 im Rahmen der Herstellung. Die Betrachtung lediglich des Gesamt-Sauerstoff-Gehalts in dem Targetmaterial ist zielführend, da sich die exakte Besetzung der verschiedenen Gitterplätze in den Metalloxidphasen ggf. auch temperaturabhängig ändern kann. Der Gesamt-Sauerstoff-Gehalt im Targetmaterial wird vorliegend mittels Trägergasheißextraktion (Nachweis des Sauerstoffes als CO bzw. CO2 mittels Infrarotmesszelle, z.B. mit einem Gerät LECO RO300 oder LECO 836) ermittelt.In the target material according to the invention, the oxygen content in wt.% is in the range from 26 to 32 wt.%. The oxygen content in the deposited layer influences the optical reflection, so that a largely corresponding oxygen content, which is typically in the above-mentioned range, is preferably set in the target material. Furthermore, sufficient electrical conductivity is achieved within this range, so that a DC (direct current) sputtering process is possible (while electrically insulating targets have to be sputtered with an RF (RF: radio frequency; i.e. high frequency) sputtering process (i.e. alternating current), which is associated with increased costs (particularly with regard to the design of the sputtering system). The oxygen content can - as described in more detail below - be adjusted during production by weighing in appropriate oxide-containing powders, so that the weighed-in oxygen content (in relation to the weighed-in metal content) corresponds to the desired oxygen content of the target material. At the same time, the oxygen content mentioned is favorable for the sintering behavior and the formation of the mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 during production. It is useful to consider only the total oxygen content in the target material, since the exact occupancy of the various lattice sites in the metal oxide phases can also change depending on the temperature. The total oxygen content in the target material is determined by carrier gas hot extraction (Detection of oxygen as CO or CO 2 using an infrared measuring cell, e.g. with a LECO RO300 or
Gemäß der Erfindung liegt in dem Targetmaterial der Anteil des (mindestens einen) Dotierungselements M in at.% relativ zu dem Gesamtgehalt an Mo und dem Dotierungselement M in at.% in Summe, d.h. M/(Mo+M), in dem Bereich von 0,02 - 0,15. Ein Mindestgehalt des (mindestens einen) Dotierungselements M ist erforderlich, damit sich in dem Targetmaterial das Mischoxid (Mo1-xMx)5O14 als Matrixphase ausbilden kann. Ein gewisser Spielraum besteht dabei, da der Anteil x des Dotierungselements M innerhalb der Matrixphase (Mo1-xMx)5O14 bis zu einem gewissen Grad variieren und damit auch leicht reduziert sein kann. Weiterhin ist ein Mindestgehalt des Dotierungselements M erforderlich, damit die gewünschten Eigenschaften der hergestellten Schicht (insbesondere bzgl. Nassätzverhalten) vorliegen. Umgekehrt ist ein zu hoher Gehalt des Dotierungselements M nachteilig, da das Dotierungselement M dann nicht mehr in der Matrixphase aufgenommen werden kann und folglich zu einem erhöhten Anteil des Oxids des Dotierungselements (z.B. Ta2O5, Nb2O5, V2O5, TiO2) führt, in Form einer Zweitphase. Weiterhin nimmt zum Teil die Reflexion der hergestellten Schichten bei zunehmendem Gehalt des Dotierungselements M (z.B. bei Ta) wieder zu und auch die Ätzrate entspricht nicht mehr dem gewünschten Bereich. Vor diesem Hintergrund ist der Bereich von 0,05 - 0,12 für das Verhältnis M/(Mo+M) besonders bevorzugt. Das gewünschte Verhältnis M/(Mo+M) kann im Rahmen der Herstellung durch Einwaage entsprechender Pulver eingestellt werden, da dieses bei der nachstehend beschriebenen Herstellungsroute weitgehend unverändert bleibt. Am Targetmaterial selbst können die Anteile der enthaltenen Metalle sowie das Verhältnis M/(Mo+M) mittels chemischer Analyse, insbesondere mittels ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy; Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma) oder mit ICP-OES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry; Optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma), bestimmt werden.According to the invention, the proportion of the (at least one) doping element M in at.% in the target material relative to the total content of Mo and the doping element M in at.% in total, ie M/(Mo+M), is in the range of 0.02 - 0.15. A minimum content of the (at least one) doping element M is required so that the mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 can form as a matrix phase in the target material. There is a certain amount of leeway here, since the proportion x of the doping element M within the matrix phase (Mo 1-x M x ) 5 O 14 can vary to a certain extent and can therefore also be slightly reduced. Furthermore, a minimum content of the doping element M is required so that the desired properties of the layer produced (in particular with regard to wet etching behavior) are present. Conversely, too high a content of the doping element M is disadvantageous because the doping element M can then no longer be absorbed in the matrix phase and consequently leads to an increased proportion of the oxide of the doping element (e.g. Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , V 2 O 5 , TiO 2 ) in the form of a second phase. Furthermore, the reflection of the layers produced increases again with increasing content of the doping element M (e.g. Ta) and the etching rate no longer corresponds to the desired range. Against this background, the range of 0.05 - 0.12 for the ratio M/(Mo+M) is particularly preferred. The desired ratio M/(Mo+M) can be set during production by weighing out corresponding powders, since this remains largely unchanged with the production route described below. The proportions of the metals contained in the target material itself as well as the ratio M/(Mo+M) can be determined by chemical analysis, in particular by ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy) or ICP-OES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry).
Gemäß einer Weiterbildung wird in dem Targetmaterial das Dotierungselement M durch Ta gebildet und die Matrixphase aus dem Mischoxid wird durch (Mo1-xTax)6O14 mit 0,06 ≤ x ≤ 0,08 gebildet. Typischerweise nimmt der Ta-Anteil x in der Matrixphase (Mo1-xTax)6O14 den Wert 0,07 ein. Je nach Verfügbarkeit von Ta zur Bildung der Matrixphase während der Herstellung (d.h. insbesondere je nach Zusammensetzung und Mengenverhältnis der Ausgangspulver) liegt x in der Regel innerhalb des Bereichs 0,06 ≤ x ≤ 0,08, wobei die Matrixphase in diesem Bereich stabil ausgebildet wird. Wie oberhalb erwähnt, ist Ta hinsichtlich der Beeinflussung der Nassätzrate und der Verfügbarkeit besonders bevorzugt. Auch die Matrixphase (Mo1-xTax)6O14 hat sich in der Praxis als besonders vorteilhaft herausgestellt.According to a further development, the doping element M is formed by Ta in the target material and the matrix phase of the mixed oxide is formed by (Mo 1-x Ta x ) 6 O 14 with 0.06 ≤ x ≤ 0.08. Typically, the Ta content x in the matrix phase (Mo 1-x Ta x ) 6 O 14 has the value 0.07. Depending on the availability of Ta to form the matrix phase during production (i.e. in particular depending on the composition and quantity ratio of the starting powders), x is generally within the range 0.06 ≤ x ≤ 0.08, with the matrix phase being formed stably in this range. As mentioned above, Ta is particularly preferred with regard to influencing the wet etching rate and availability. The matrix phase (Mo 1-x Ta x ) 6 O 14 has also proven to be particularly advantageous in practice.
Vorzugsweise wird ein möglichst hoher Anteil des zugegebenen Dotierungselements M (hier: Ta) in die Matrixphase aus dem Mischoxid (Mo1-xMx)5O14 eingebaut und vorzugsweise liegt das Dotierungselement M (hier: Ta) - sofern es nicht vollständig eingebaut wird - als Metalloxid (z.B. Mischoxid, Ta2O5) und nicht als metallisches Element vor. Ta als metallische Phase würde zu deutlich abweichenden Eigenschaften führen. Auch der Anteil von Ta2O5 ist bevorzugt relativ niedrig, da Ta2O5 dielektrisch ist und damit die Ursache für Partikel und Schichtfehler beim Sputtern sein kann. Ferner wäre Ta2O5 als dünne Teilschicht in der hergestellten Schicht optisch transparent und würde damit die optischen Eigenschaften der Schicht verschlechtern. Dementsprechend liegt Ta (vorzugsweise als einziges enthaltenes Dotierungselement M) in dem Targetmaterial gemäß einer Weiterbildung vollständig als Metalloxid (z.B. Mischoxid, Ta2O5) vor (d.h. nicht als metallisches Element), wobei in dem Targetmaterial bezogen auf ein Schliffbild desselben - gemessen mit einem Raman-Mikroskop (mittels Raman-Spektroskopie) - der Anteil der Phase Ta2O5 ≤ 3 Vol.% (d.h. Anteil von 0-3 Vol.%), vorzugsweise ≤ 1 Vol.% (d.h. Anteil von 0-1 Vol.%), ist. Dies gilt insbesondere für einen Anteil des Dotierungselements Ta in at.% relativ zu dem Gesamtgehalt an Mo und Ta in at.%, d.h. M/(Mo+M), in dem Bereich von 0,02 - 0,15, vorzugsweise im Bereich von 0,05 - 0,12.Preferably, as high a proportion as possible of the added doping element M (here: Ta) is incorporated into the matrix phase of the mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 and preferably the doping element M (here: Ta) - if it is not completely incorporated - is present as a metal oxide (e.g. mixed oxide, Ta 2 O 5 ) and not as a metallic element. Ta as a metallic phase would lead to significantly different properties. The proportion of Ta 2 O 5 is also preferably relatively low, since Ta 2 O 5 is dielectric and can therefore be the cause of particles and layer defects during sputtering. Furthermore, Ta 2 O 5 would be optically transparent as a thin partial layer in the produced layer and would therefore impair the optical properties of the layer. Accordingly, according to a further development, Ta (preferably as the only doping element M contained) is present in the target material entirely as a metal oxide (e.g. mixed oxide, Ta 2 O 5 ) (i.e. not as a metallic element), wherein in the target material, based on a micrograph of the same - measured with a Raman microscope (by means of Raman spectroscopy) - the proportion of the phase Ta 2 O 5 is ≤ 3 vol.% (i.e. proportion of 0-3 vol.%), preferably ≤ 1 vol.% (i.e. proportion of 0-1 vol.%). This applies in particular to a proportion of the doping element Ta in at.% relative to the total content of Mo and Ta in at.%, ie M/(Mo+M), in the range from 0.02 - 0.15, preferably in the range from 0.05 - 0.12.
Gemäß einer Weiterbildung wird in dem Targetmaterial das Dotierungselement M durch Nb gebildet und die Matrixphase aus dem Mischoxid wird durch (Mo1-xNbx)5O14 mit 0,07 ≤ x ≤ 0,12 gebildet. Je nach Verfügbarkeit von Nb zur Bildung der Matrixphase während der Herstellung (d.h. insbesondere je nach Zusammensetzung und Mengenverhältnis der Ausgangspulver) liegt x in der Regel innerhalb des Bereichs von 0,07 ≤ x ≤ 0,12, wobei die Matrixphase in diesem Bereich stabil ausgebildet wird. Wie oberhalb erwähnt, ist Nb hinsichtlich der Beeinflussung der Nassätzrate und der preisgünstigen Verfügbarkeit vorteilhaft, auch weil sich die Matrixphase über einen breiteren Bereich von 0,07 ≤ x ≤ 0,12 stabil ausbildet.According to a further development, the doping element M in the target material is formed by Nb and the matrix phase of the mixed oxide is formed by (Mo 1-x Nb x ) 5 O 14 with 0.07 ≤ x ≤ 0.12. Depending on the availability of Nb for the formation of the matrix phase during production (ie in particular depending on Composition and quantity ratio of the starting powders) x is usually within the range of 0.07 ≤ x ≤ 0.12, whereby the matrix phase is formed stably in this range. As mentioned above, Nb is advantageous in terms of influencing the wet etching rate and low-cost availability, also because the matrix phase is formed stably over a wider range of 0.07 ≤ x ≤ 0.12.
Entsprechend wie oberhalb bzgl. Ta erläutert, wird vorzugsweise ein möglichst hoher Anteil des zugegebenen Dotierungselements M (hier: Nb) in die Matrixphase aus dem Mischoxid (Mo1-xMx)5O14 eingebaut und vorzugsweise liegt das Dotierungselement M (hier: Nb) - sofern es nicht vollständig eingebaut wird - als Metalloxid (z.B. Mischoxid, Nb2O5) und nicht als metallisches Element vor. Dementsprechend liegt Nb (vorzugsweise als einziges enthaltenes Dotierungselement M) in dem Targetmaterial gemäß einer Weiterbildung vollständig als Metalloxid (z.B. Mischoxid, Nb2O5) vor (d.h. nicht als metallisches Element), wobei in dem Targetmaterial bezogen auf ein Schliffbild desselben - gemessen mit einem Raman-Mikroskop (mittels Raman-Spektroskopie) - der Anteil der Phase Nb2O5 ≤ 3 Vol.% (d.h. Anteil von 0-3 Vol.%), vorzugsweise ≤ 1 Vol.% (d.h. Anteil von 0-1 Vol.%), ist. Dies gilt insbesondere für einen Anteil des Dotierungselements Nb in at.% relativ zu dem Gesamtgehalt an Mo und Nb in at.%, d.h. M/(Mo+M), in dem Bereich von 0,02 - 0,15, vorzugsweise im Bereich von 0,05-0,12.As explained above with regard to Ta, preferably as high a proportion as possible of the added doping element M (here: Nb) is incorporated into the matrix phase of the mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 and preferably the doping element M (here: Nb) - if it is not completely incorporated - is present as a metal oxide (e.g. mixed oxide, Nb 2 O 5 ) and not as a metallic element. Accordingly, according to a further development, Nb (preferably as the only doping element M contained) is present in the target material entirely as a metal oxide (e.g. mixed oxide, Nb 2 O 5 ) (ie not as a metallic element), wherein in the target material, based on a micrograph of the same - measured with a Raman microscope (by means of Raman spectroscopy) - the proportion of the phase Nb 2 O 5 is ≤ 3 vol.% (ie proportion of 0-3 vol.%), preferably ≤ 1 vol.% (ie proportion of 0-1 vol.%). This applies in particular to a proportion of the doping element Nb in at.% relative to the total content of Mo and Nb in at.%, ie M/(Mo+M), in the range of 0.02 - 0.15, preferably in the range of 0.05-0.12.
Gemäß einer Weiterbildung weist das Targetmaterial eine relative Dichte von ≥ 95% (d.h. in einem Bereich von 95 - 99,9%), insbesondere von ≥ 97% (d.h. in einem Bereich von 97 - 99,9%), vorzugsweise von ≥ 98% (d.h. in einem Bereich von 98 - 99,9%) auf. Ein kompaktes Targetmaterial mit einer hohen relativen Dichte ist für die Qualität der abgeschiedenen Schichten wichtig, da weniger dichte Targetmaterialien beim Sputtern zu Blitzentladungen ("Ares") und Partikelbildung führen können. Die Bestimmung der relativen Dichte erfolgt mittels digitaler Bildanalyse anhand von lichtmikroskopischen Bildaufnahmen des metallographischen Schliffs des Targetmaterials, bei dem der relative Flächenanteil "FA" der Poren (FA: Flächenanteil der Poren relativ zur untersuchten Gesamtfläche) ausgewertet wird. Die relative Dichte entspricht dann dem Wert (1-FA), wobei sie als arithmetisches Mittel aus drei derartigen Porositätsmessungen berechnet wird. Die Vorgehensweise ist nachstehend im Detail beschrieben.According to a further development, the target material has a relative density of ≥ 95% (i.e. in a range of 95 - 99.9%), in particular of ≥ 97% (i.e. in a range of 97 - 99.9%), preferably of ≥ 98% (i.e. in a range of 98 - 99.9%). A compact target material with a high relative density is important for the quality of the deposited layers, since less dense target materials can lead to lightning discharges ("Ares") and particle formation during sputtering. The relative density is determined by means of digital image analysis based on light microscopic images of the metallographic section of the target material, in which the relative surface area "FA" of the pores (FA: surface area of the pores relative to the total area examined) is evaluated. The relative density then corresponds to the value (1-FA), where it is calculated as the arithmetic mean of three such porosity measurements. The procedure is described in detail below.
Gemäß einer Weiterbildung weit das Targetmaterial eine elektrische Leitfähigkeit von ≥ 100 S/m bei 25°C auf. Hierdurch wird ein DC Sputtern ermöglicht und auch in der hergestellten Schicht wird eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit erzielt. Die elektrische Leitfähigkeit wird dabei mit der 4-Punkt-Messmethode über einen Widerstands-Messstand (z.B. Ulvac ZEM3) gemessen.According to a further development, the target material has an electrical conductivity of ≥ 100 S/m at 25°C. This enables DC sputtering and sufficient electrical conductivity is also achieved in the produced layer. The electrical conductivity is measured using the 4-point measuring method via a resistance measuring station (e.g. Ulvac ZEM3).
Gemäß einer Weiterbildung liegt das Targetmaterial als ein pulvermetallurgisch hergestellter (makroskopischer) Festkörper vor. Die pulvermetallurgische Herstellungsroute , die nicht erfindungsgemäss ist, ermöglicht eine kostengünstige Herstellung des Targetmaterials in industriellem Maßstab als kompaktes Bauteil (kompaktes Targetmaterial von z.B. mindestens 1 kg pro Targetsegment) mit hoher relativer Dichte und hoher Phasenreinheit innerhalb kurzer Prozesszeiten (z.B. Haltezeiten typischerweise < 12 Stunden). Unter einer pulvermetallurgischen Herstellung wird dabei verstanden, dass entsprechende Ausgangspulver (die im Falle mehrerer Pulver vorher entsprechend gemischt werden) durch Anwendung von Druck und/oder Temperatur verdichtet werden. Die pulvermetallurgische Herstellung führt dabei zu einer charakteristischen Mikrostruktur des Targetmaterials, insbesondere zu einem mehrphasigen und feinkörnigen Gefüge. Die pulvermetallurgische Herstellung ist für einen Fachmann ohne weiteres an dem Targetmaterial anhand eines Schliffbildes im Lichtmikroskop, im Rasterelektronenmikroskop (REM) oder über Raman-Mikroskop erkennbar.According to a further development, the target material is in the form of a (macroscopic) solid produced by powder metallurgy. The powder metallurgy production route, which is not according to the invention, enables cost-effective production of the target material on an industrial scale as a compact component (compact target material of e.g. at least 1 kg per target segment) with high relative density and high phase purity within short process times (e.g. holding times typically < 12 hours). Powder metallurgical production is understood to mean that corresponding starting powders (which, in the case of several powders, are mixed beforehand) are compacted by applying pressure and/or temperature. The powder metallurgical production leads to a characteristic microstructure of the target material, in particular to a multi-phase and fine-grained structure. The powder metallurgical production is easily recognizable by a person skilled in the art on the basis of a micrograph of the target material in a light microscope, in a scanning electron microscope (SEM) or via a Raman microscope.
Als Ausgangspulver wird vorzugsweise eine Pulvermischung aus MoO2, MoO3, gegebenenfalls enthaltend geringe Anteile an substöchiometrischen Molybdänoxiden wie insbesondere Mo4O11, sowie aus einem oder mehreren Oxiden des Dotierungselements M (Ta2O5, V2O5, Nb2O5, TiO2) gebildet. Die Anteile der verschiedenen Pulver werden so eingewogen, dass das gewünschte Mengenverhältnis der Elemente Mo, M und O eingestellt wird. MoO2 und MoOs sind leicht zugängliche, günstige und unter Umgebungsbedingungen thermodynamisch stabile, einfach zu handhabende Rohstoffe. Substöchiometrische Oxide können durch Reduktion von MoOs-Pulver in einer entsprechenden Atmosphäre wie H2 hergestellt werden.The starting powder is preferably a powder mixture of MoO 2 , MoO 3 , optionally containing small amounts of substoichiometric molybdenum oxides such as in particular Mo 4 O 11 , and one or more oxides of the doping element M (Ta 2 O 5 , V 2 O 5 , Nb 2 O 5 , TiO 2 ). The amounts of the various powders are weighed in such a way that the desired ratio of the elements Mo, M and O is set. MoO 2 and MoOs are easily accessible, inexpensive and thermodynamically stable raw materials under ambient conditions, easy to handle. Substoichiometric oxides can by reduction of MoOs powder in an appropriate atmosphere such as H 2 .
Um die Ausbildung der gewünschten Matrixphase aus dem Mischoxid (Mo1-xMx)5O14 während des nachfolgenden Verdichtungsschritts mit dem gewünschten hohen Anteil zu erzielen, ist zum einen auf ein entsprechendes, nahe an dem Mischoxid liegendes Mengenverhältnis der eingewogenen Pulver zu achten. Ferner ist wesentlich, dass die eingesetzten Pulver sehr feinkörnig sind (mit d50-Werten typischerweise < 10 µm) und vor dem Schritt des Verdichtens sehr gut durchmischt werden. Wie auch anhand der Herstellungsbeispiele erläutert wird, werden bei dem MoO2-Pulver und dem Pulver aus dem Oxid des Dotierungselements M (sowie ggf. auch bei den substöchiometrischen Molybdänoxiden) jeweils der Grobanteil > 63 µm durch einen entsprechenden Siebschritt (z.B. Sieb mit einer Maschenweite von 63 µm) abgesiebt. Auch bei dem MoOs-Pulver wird ein besonders feines Pulver (z.B. mit einem d50-Wert von 3 µm, Partikelgrößenmessung mittels Laserbeugung, z.B. mittels Malvern-Gerät) eingesetzt. Die Mischung der Pulver wird vorzugsweise in einem Intensivmischer oder auch mit einem Pflugscharmischer durchgeführt, wobei auf eine sehr gute Durchmischung der Pulver zu achten ist.In order to achieve the formation of the desired matrix phase from the mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 during the subsequent compaction step with the desired high proportion, it is important to ensure that the proportion of the weighed powders is close to that of the mixed oxide. It is also important that the powders used are very fine-grained (with d50 values typically < 10 µm) and are mixed very well before the compaction step. As is also explained using the production examples, the coarse fraction > 63 µm is sieved off in the MoO 2 powder and the powder from the oxide of the doping element M (and possibly also in the substoichiometric molybdenum oxides) using an appropriate sieving step (e.g. sieve with a mesh size of 63 µm). A particularly fine powder is also used for the MoOs powder (e.g. with a d50 value of 3 µm, particle size measurement by laser diffraction, e.g. using a Malvern device). The powders are preferably mixed in an intensive mixer or with a plowshare mixer, whereby care must be taken to ensure that the powders are very well mixed.
Das Verdichten kann insbesondere mittels Heißpressen, Heiß-isostatisch-Pressen, Spark Plasma Sintern (SPS) oder Pressen-Sintern erfolgen. Die Verdichtung erfolgt dabei insbesondere bei Temperaturen zwischen 600 und 800 °C und Pressdrücken zwischen 15 und 110 MPa. Vorzugsweise erfolgt die Verdichtung, insbesondere wenn erhöhte Temperaturen eingestellt werden, in Vakuum oder in Schutzgasatmosphäre (z.B. Argon). Bei SPS erfolgt die Verdichtung über Anwendung von Druck und Temperatur, wobei die Wärme intern durch einen durch die Pulvermischung geführten elektrischen Strom erzeugt wird. Beim Heißpressen erfolgt die Verdichtung ebenfalls über Anwendung von Druck und Temperatur, wobei die Wärme von außerhalb über eine beheizte Form zugeführt wird. Beim Heiß-isostatisch Pressen befindet sich das Ausgangspulver in einer abgeschlossenen Kapsel und die Verdichtung erfolgt unter Anwendung von Druck und Temperatur auf die Kapsel. Bei einer Verdichtung mittels Pressen-Sintern wird das Ausgangspulver zu einem Grünling gepresst und dieser anschließend durch Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur gesintert.Compaction can be carried out in particular by means of hot pressing, hot isostatic pressing, spark plasma sintering (SPS) or press sintering. Compaction takes place in particular at temperatures between 600 and 800 °C and pressing pressures between 15 and 110 MPa. Compaction preferably takes place in a vacuum or in a protective gas atmosphere (e.g. argon), especially if elevated temperatures are set. With SPS, compaction takes place by applying pressure and temperature, with the heat being generated internally by an electric current passed through the powder mixture. With hot pressing, compaction also takes place by applying pressure and temperature, with the heat being supplied from outside via a heated mold. With hot isostatic pressing, the starting powder is in a closed capsule and compaction takes place by applying pressure and temperature to the capsule. With compaction by means of press sintering, the starting powder is pressed into a green compact. and then sintered by heat treatment below the melting temperature.
Während des Verdichtungsprozesses werden die Ausgangspulver in einer Festphasenreaktion, bzw. je nach chemischer Zusammensetzung und Prozessbedingungen auch Flüssigphasenreaktionen, bzw. Mehrphasenreaktionen (z.B. fest-flüssig) in das Targetmaterial umgewandelt. Die dabei ablaufenden Reaktionen ähneln einer Komproportionierung: MoOs wird zu ggf. verschiedenen substöchiometrischen Oxiden (z.B. Mo18O52, MoO4O11, ...) reduziert, während MoO2 zumindest anteilig zu ggf. verschiedenen substöchiometrischen Oxiden oxidiert wird. Ferner geht das mindestens eine Oxid des Dotierungselements M (Ta2O5, V2O5, Nb2O5, TiO2) zu einem hohen Anteil in das Mischoxid (Mo1-xMx)5O14 zur Bildung der Matrixphase ein. Nach dem Verdichten kann eine mechanische Nachbearbeitung, beispielsweise durch spanabhebende Werkzeuge, zur gewünschten Endgeometrie bzw. zur Oberflächenaufbereitung (Einstellung einer gewünschten Rauigkeit der Oberfläche) erfolgen. Gegebenenfalls sind noch weitere Bauteile, wie z.B. Rückplatte(n), Trägerrohr(e), Anschlussstück(e), Einsätz(e) zur Vervollständigung des Sputteringtargets anzubringen.During the compaction process, the starting powders are converted into the target material in a solid phase reaction or, depending on the chemical composition and process conditions, also in a liquid phase reaction or multi-phase reaction (e.g. solid-liquid). The reactions that take place are similar to a comproportionation: MoOs is reduced to possibly different substoichiometric oxides (e.g. Mo 18 O 52 , MoO 4 O 11 , ...), while MoO 2 is at least partially oxidized to possibly different substoichiometric oxides. Furthermore, at least one oxide of the doping element M (Ta 2 O 5 , V 2 O 5 , Nb 2 O 5 , TiO 2 ) is incorporated to a high extent into the mixed oxide (Mo 1-x M x ) 5 O 14 to form the matrix phase. After compaction, mechanical post-processing can be carried out, for example using cutting tools, to achieve the desired final geometry or surface preparation (setting the desired surface roughness). If necessary, further components such as back plate(s), support tube(s), connection piece(s), insert(s) must be attached to complete the sputtering target.
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind in dem Targetmaterial bezogen auf ein Schliffbild desselben - gemessen mit einem Raman-Mikroskop (mittels Raman-Spektroskopie) - in der Matrixphase eine oder mehrere Zweitphasen als fein und gleichmäßig verteilte, kleine Inseln ausgebildet. Insbesondere weisen mindestens 95% der Inseln der Zweitphase(n) einen äquivalenten Kreisdurchmesser (jeweils errechnet aus der betreffenden Fläche der Insel, dargestellt in Form eines Kreises mit gleicher Fläche und mit "äquivalentem Kreisdurchmesser") von jeweils ≤ 60 µm auf. Betrachtet wird dabei die Anzahl der "kleinen Inseln mit einem äquivalenten Kreisdurchmesser von jeweils ≤ 60 µm" relativ zu der Gesamtanzahl der Inseln einer repräsentativ gewählten, analysierten Fläche von 1.000 µm × 1.000 µm. Diese feine Insel-Struktur der Zweitphase(n) ist mit einer Raman-Aufnahme vom Schliffbild visualisierbar und kann mittels quantitativer Bildauswertung bzgl. der Fläche und Größe der Inseln entsprechend ausgewertet werden.According to a further development of the present invention, in the target material, based on a micrograph of the same - measured with a Raman microscope (using Raman spectroscopy) - one or more second phases are formed in the matrix phase as finely and evenly distributed, small islands. In particular, at least 95% of the islands of the second phase(s) have an equivalent circular diameter (each calculated from the relevant area of the island, shown in the form of a circle with the same area and with an "equivalent circular diameter") of ≤ 60 µm each. The number of "small islands with an equivalent circular diameter of ≤ 60 µm each" is considered relative to the total number of islands in a representatively selected, analyzed area of 1,000 µm × 1,000 µm. This fine island structure of the second phase(s) can be visualized with a Raman image of the microsection and can be evaluated accordingly by means of quantitative image analysis with regard to the area and size of the islands.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines Sputteringtargets gemäß der vorliegenden Erfindung, das zusätzlich gemäß einer oder mehrerer der oberhalb beschriebenen Weiterbildungen und Varianten ausgebildet sein kann, zur Gasphasen-Abscheidung einer molybdänoxidhaltigen Schicht, wobei das Sputterverfahren als DC-Sputterverfahren bzw. gepulstes DC-Sputterverfahren in einer Edelgasatmosphäre ohne Sauerstoff oder alternativ unter Zufuhr von höchstens 20 Vol.% Sauerstoff als Reaktivgas erfolgt. Beim Gleichspannungssputtern, oder DC-Sputtern, wird zwischen dem als Kathode geschalteten Sputteringtarget und einer Anode (in der Regel das Gehäuse der Beschichtungsanlage und/oder Abschirmbleche in der Vakuumkammer) eine Gleichspannung angelegt. Das DC-Sputterverfahren bzw. gepulste DC-Sputterverfahren erfolgt dabei in einer Edelgasatmosphäre, insbesondere einer Argongasatmosphäre, bevorzugt nicht-reaktiv ohne zusätzliche Zufuhr von Sauerstoff. Die dabei abgeschiedenen Schichten haben gegebenenfalls aufgrund einer leichten Sauerstoff-Verarmung beim Beschichtungsprozess (Abtransport von gebildetem Sauerstoff über das abgesaugte Prozessgas) einen geringfügig niedrigeren Sauerstoff-Gehalt als das verwendete Targetmaterial, wobei dies je nach Beschichtungsanlage und Betriebsweise leicht variieren kann. Um molybdänoxidhaltige Schichten mit einem höheren Sauerstoffgehalt als dem des Targetmaterials herzustellen, kann das Targetmaterial auch reaktiv unter Zufuhr von höchstens 20 Vol.% Sauerstoff (bezogen auf die Zusammensetzung des Reaktivgases) gesputtert werden, vorzugsweise < 10 Vol.%, noch bevorzugter < 5 Vol.%, wobei durch den Einsatz eines oxidischen Targetmaterials die Menge an zugeführtem Sauerstoff vergleichsweise niedrig gehalten werden kann. Die Nachteile vom reaktiven Sputtern (Hystereseeffekte, potenzielle Inhomogenitäten der abgeschiedenen Schicht) wirken sich daher nicht so stark aus.The present invention further relates to the use of a sputtering target according to the present invention, which can additionally be designed according to one or more of the developments and variants described above, for the gas phase deposition of a molybdenum oxide-containing layer, wherein the sputtering process is carried out as a DC sputtering process or pulsed DC sputtering process in a noble gas atmosphere without oxygen or alternatively with the supply of at most 20 vol.% oxygen as a reactive gas. In direct current sputtering, or DC sputtering, a direct voltage is applied between the sputtering target connected as a cathode and an anode (usually the housing of the coating system and/or shielding plates in the vacuum chamber). The DC sputtering process or pulsed DC sputtering process takes place in a noble gas atmosphere, in particular an argon gas atmosphere, preferably non-reactively without the additional supply of oxygen. The layers deposited in this way may have a slightly lower oxygen content than the target material used due to a slight oxygen depletion during the coating process (removal of oxygen formed via the extracted process gas), although this can vary slightly depending on the coating system and operating mode. In order to produce molybdenum oxide-containing layers with a higher oxygen content than that of the target material, the target material can also be reactively sputtered with the addition of a maximum of 20 vol.% oxygen (based on the composition of the reactive gas), preferably < 10 vol.%, even more preferably < 5 vol.%, whereby the amount of oxygen supplied can be kept comparatively low by using an oxidic target material. The disadvantages of reactive sputtering (hysteresis effects, potential inhomogeneities of the deposited layer) are therefore not as pronounced.
Weitere Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. In den Figuren, die Raman-Spektren zeigen, ist jeweils die Intensität in (Anzahl bzw. Counts) über der Raman-Verschiebung in (cm-1) (Raman shift) aufgetragen.Further advantages and benefits of the invention will become apparent from the following description of embodiments with reference to the attached figures. In the figures showing Raman spectra, the intensity in (number or counts) is plotted against the Raman shift in (cm -1 ) (Raman shift).
Von den Figuren zeigen:
- Fig. 1:
- Raman-Referenzspektrum des Mischoxids (Mo0.93Ta0.007)5O14;
- Fig. 2:
- Raman-Referenzspektrum von Ta2O5;
- Fig. 3:
- Raman-Referenzspektrum von Mo18O52;
- Fig. 4:
- Raman-Referenzspektrum von MoO2;
- Fig. 5:
- Raman-Referenzspektrum von MoOs;
- Fig. 6:
- Raman-Referenzspektrum von Mo4O11;
- Fig. 7:
- eine mittels Raman-Mapping erstellte Mikrostruktur eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels;
- Fig. 8:
- eine mittels Raman-Mapping erstellte Mikrostruktur eines Vergleichsbeispiels;
- Fig. 9:
- ein Diagramm, in dem die Abscheideraten jeweils in (nm/min), d.h. in Nanometer/Minute, für zwei erfindungsgemäße Sputteringtargets (Bsp. 1, Bsp. 2) und ein Vergleichsbeispiel (Referenz) aufgetragen sind (jeweils kurz als MoOz (2 < z < 3) mit dem entsprechenden molaren Anteil an Ta2O5, jeweils bezogen auf die Ausgangspulver, bezeichnet); und
- Fig. 10:
- ein Diagramm, in dem die Reflektivität in (%) über der Wellenlänge (nm) (Nanometer) aufgetragen ist, für Schichtsysteme, die mit den in
Fig. 8 dargestellten zwei erfindungsgemäßen Sputteringtargets (Bsp. 1, Bsp. 2) und dem Vergleichsbeispiel (Referenz) abgeschieden wurden.
- Fig.1:
- Raman reference spectrum of the mixed oxide (Mo 0.93 Ta 0.007 ) 5 O 14 ;
- Fig. 2:
- Raman reference spectrum of Ta 2 O 5 ;
- Fig. 3:
- Raman reference spectrum of Mo 18 O 52 ;
- Fig.4:
- Raman reference spectrum of MoO 2 ;
- Fig.5:
- Raman reference spectrum of MoOs;
- Fig.6:
- Raman reference spectrum of Mo 4 O 11 ;
- Fig.7:
- a microstructure of an embodiment according to the invention created by means of Raman mapping;
- Fig.8:
- a microstructure of a comparative example created by Raman mapping;
- Fig. 9:
- a diagram in which the deposition rates are plotted in (nm/min), ie in nanometers/minute, for two sputtering targets according to the invention (Example 1, Example 2) and a comparative example (reference) (each referred to briefly as MoO z (2 < z < 3) with the corresponding molar proportion of Ta 2 O 5 , each based on the starting powder); and
- Fig. 10:
- a diagram in which the reflectivity in (%) is plotted against the wavelength (nm) (nanometers) for layer systems that are made with the
Fig.8 shown two sputtering targets according to the invention (Ex. 1, Ex. 2) and the comparative example (reference).
MoO2-Pulver (Plansee SE; d50-Wert von ca. 6 µm) wird in einem Sieb mit Maschenweite 63 µm abgesiebt, wobei der Grobanteil >63 µm nicht weiterverwendet wird. 40 Mol.% des so erhaltenen MoO2-Pulvers werden mit 57 Mol.% MoOs-Pulver (Molymet, vorliegend mit einem d50-Wert von ca. 3 µm) und 3 Mol.% Tantalpentoxidpulver (H.C. Starck, d50-Wert von ca. 2 µm; abgesiebt auf <63 µm; Ta2O5) in einem Pflugscharmischer (Lödige) für 20 min. gemischt, so dass sich eine homogene Verteilung zwischen den Pulverkomponenten ergibt.MoO 2 powder (Plansee SE; d50 value of approx. 6 µm) is sieved in a sieve with a mesh size of 63 µm, whereby the coarse fraction >63 µm is not reused. 40 mol.% of the MoO 2 powder obtained in this way is mixed with 57 mol.% MoOs powder (Molymet, present with a d50 value of approx. 3 µm) and 3 mol.% tantalum pentoxide powder (HC Starck, d50 value of approx. 2 µm; sieved to <63 µm; Ta 2 O 5 ) in a plowshare mixer (Lödige) for 20 minutes, so that a homogeneous distribution between the powder components is achieved.
Die erhaltende Pulvermischung wird in eine Graphitform mit den Abmessungen 0250 mm (d.h. Durchmesser von 250 mm) und einer Höhe von 50 mm gegeben und in einer Heißpresse unter Vakuum bei einem Pressdruck von 30 MPa, einer Temperatur von 800 °C und einer Haltezeit von 480 Minuten verdichtet. Das kompaktierte Bauteil weist eine relative Dichte von 97,5% auf. Der überwiegende Anteil des erhaltenen Targetmaterials besteht aus der Matrixphase aus dem Mischoxid (Mo0.93Ta0.07)5O14 mit einem Anteil von 79,4 Vol.%. Das Targetmaterial weist zusätzlich eine MoO2-Phase mit einem Anteil von 8,5 Vol.% und eine Mo4O11-Phase mit einem Anteil von 12,1 Vol.% auf.The resulting powder mixture is placed in a graphite mold with dimensions of 0250 mm (i.e. diameter of 250 mm) and a height of 50 mm and compacted in a hot press under vacuum at a pressure of 30 MPa, a temperature of 800 °C and a holding time of 480 minutes. The compacted component has a relative density of 97.5%. The majority of the resulting target material consists of the matrix phase of the mixed oxide (Mo 0.93 Ta 0.07 ) 5 O 14 with a proportion of 79.4 vol.%. The target material also has a MoO 2 phase with a proportion of 8.5 vol.% and a Mo 4 O 11 phase with a proportion of 12.1 vol.%.
MoO2-Pulver (Plansee SE; d50-Wert von ca. 6 µm) wird in einem Sieb mit Maschenweite 63 µm abgesiebt, wobei der Grobanteil >63 µm nicht weiterverwendet wird. 40 Mol.% des so erhaltenen MoO2-Pulvers werden mit 57 Mol.% MoOs-Pulver (Molymet, vorliegend mit einem d50-Wert von ca. 3 µm) und 3 Mol.% Tantalpentoxidpulver (H.C. Starck, d50-Wert von ca. 2 µm; abgesiebt auf <63 µm; Ta2O5) in einem Intensivmischer (Eirich) für 10 min. gemischt, so dass sich eine homogene Verteilung zwischen den Pulverkomponenten ergibt. Die erhaltende Pulvermischung wird in eine Graphitform mit den Abmessungen 0250 mm (d.h. Durchmesser von 250 mm) und einer Höhe von 50 mm gegeben und in einer Heißpresse unter Vakuum bei einem Pressdruck von 30 MPa, einer Temperatur von 800 °C und einer Haltezeit von 360 Minuten verdichtet. Das kompaktierte Bauteil weist eine relative Dichte von 99,5% auf. Der überwiegende Anteil des erhaltenen Targetmaterials besteht aus der Matrixphase aus dem Mischoxid (Mo0.93Ta0.07)5O14 mit einem Anteil von 94,3 Vol.%.Das Targetmaterial weist zusätzlich eine MoO2-Phase mit einem Anteil von 2,6 Vol.%, eine Mo4O11-Phase mit einem Anteil von 3,0 Vol.% und eine Ta2O5-Phase mit einem Anteil von 0,1 Vol.% auf.MoO 2 powder (Plansee SE; d50 value of approx. 6 µm) is sieved in a sieve with a mesh size of 63 µm, whereby the coarse fraction >63 µm is not reused. 40 mol.% of the MoO 2 powder obtained in this way is mixed with 57 mol.% MoOs powder (Molymet, in this case with a d50 value of approx. 3 µm) and 3 mol.% tantalum pentoxide powder (HC Starck, d50 value of approx. 2 µm; sieved to <63 µm; Ta 2 O 5 ) in an intensive mixer (Eirich) for 10 minutes, so that a homogeneous distribution between the powder components is achieved. The resulting powder mixture is placed in a graphite mold with dimensions of 0250 mm (i.e. diameter of 250 mm) and a height of 50 mm and compacted in a hot press under vacuum at a pressure of 30 MPa, a temperature of 800 °C and a holding time of 360 minutes. The compacted component has a relative density of 99.5%. The majority of the target material obtained consists of the matrix phase of the mixed oxide (Mo 0.93 Ta 0.07 ) 5 O 14 with a proportion of 94.3 vol.%. The target material also has a MoO 2 phase with a proportion of 2.6 vol.%, a Mo 4 O 11 phase with a proportion of 3.0 vol.% and a Ta 2 O 5 phase with a proportion of 0.1 vol.%.
In
Demgegenüber ist in
MoO2-Pulver (Plansee SE; d50-Wert von ca. 6 µm) wird in einem Sieb mit Maschenweite 63 µm abgesiebt, wobei der Grobanteil >63 µm nicht weiterverwendet wird. 52 Mol.% des so erhaltenen MoO2-Pulvers werden mit 42 Mol.% MoOs-Pulver (Molymet, vorliegend mit einem d50-Wert von ca. 3 µm) und 6 Mol.% Tantalpentoxidpulver (H.C. Starck, d50-Wert von ca. 2 µm; abgesiebt auf <63 µm; Ta2O5) in einem Pflugscharmischer (Lödige) für 20 min. gemischt, so dass sich eine homogene Verteilung zwischen den Pulverkomponenten ergibt. Die erhaltende Pulvermischung wird in eine Graphitform mit den Abmessungen 0250 mm (d.h. Durchmesser von 250 mm) und einer Höhe von 50 mm gegeben und in einer Heißpresse unter Vakuum bei einem Pressdruck von 30 MPa, einer Temperatur von 800 °C und einer Haltezeit von 480 Minuten verdichtet. Das kompaktierte Bauteil weist eine relative Dichte von 97,5% auf. Der überwiegende Anteil des erhaltenen Targetmaterials besteht aus der Matrixphase aus dem Mischoxid (Mo0.93Ta0.07)5O14 mit einem Anteil von 80,3 Vol.%. Das erhaltene Targetmaterial weist eine MoO2-Phase mit einem Anteil von 18,9 Vol.%, eine Mo4O11-Phase mit einem Anteil von 0,2 Vol.% und eine Ta2O5-Phase mit einem Anteil von 0,6 Vol.% auf.MoO 2 powder (Plansee SE; d50 value of approx. 6 µm) is sieved in a sieve with a mesh size of 63 µm, whereby the coarse fraction >63 µm is not reused. 52 mol.% of the MoO 2 powder obtained in this way is mixed with 42 mol.% MoOs powder (Molymet, present with a d50 value of approx. 3 µm) and 6 mol.% tantalum pentoxide powder (HC Starck, d50 value of approx. 2 µm; sieved to <63 µm; Ta 2 O 5 ) in a plowshare mixer (Lödige) for 20 minutes, so that a homogeneous distribution between the powder components is achieved. The resulting powder mixture is placed in a graphite mold with dimensions of 0250 mm (i.e. diameter of 250 mm) and a height of 50 mm and compacted in a hot press under vacuum at a pressure of 30 MPa, a temperature of 800 °C and a holding time of 480 minutes. The compacted component has a relative density of 97.5%. The majority of the resulting target material consists of the matrix phase of the mixed oxide (Mo 0.93 Ta 0.07 ) 5 O 14 with a proportion of 80.3 vol.%. The resulting target material has a MoO 2 phase with a proportion of 18.9 vol.%, a Mo 4 O 11 phase with a proportion of 0.2 vol.% and a Ta 2 O 5 phase with a proportion of 0.6 vol.%.
MoO2-Pulver (Plansee SE; d50-Wert von ca. 6 µm) wird in einem Sieb mit Maschenweite 63 µm abgesiebt, wobei der Grobanteil >63 µm nicht weiterverwendet wird. 45 Mol.% des so erhaltenen MoO2-Pulvers werden mit 51 Mol.% MoOs-Pulver (Molymet, vorliegend mit einem d50-Wert von ca. 3 µm) und 4 Mol.% Niobpentoxidpulver (H.C. Starck, d50-Wert von ca. 2 µm; abgesiebt auf <63 µm; Nb2O5) in einem Pflugscharmischer (Lödige) für 20 min. gemischt, so dass sich eine homogene Verteilung zwischen den Pulverkomponenten ergibt. Die erhaltende Pulvermischung wird in eine Graphitform mit den Abmessungen 0250 mm (d.h. Durchmesser von 250 mm) und einer Höhe von 50 mm gegeben und in einer Heißpresse unter Vakuum bei einem Pressdruck von 30 MPa, einer Temperatur von 800 °C und einer Haltezeit von 360 Minuten verdichtet. Der überwiegende Anteil des erhaltenen Targetmaterials besteht aus der Matrixphase aus dem Mischoxid (Mo0.91Nb0.09)5O14-Phase mit einem Anteil von 78,6 Vol.%. Das kompaktierte Bauteil weist eine relative Dichte von 98,2% auf. Das erhaltene Targetmaterial weist eine MoO2-Phase mit einem Anteil von 18,7 Vol.%, eine Mo4O11-Phase mit einem Anteil von 2,6 Vol.% und eine Nb2O3-Phase mit einem Anteil von 0,1 Vol.% auf.MoO 2 powder (Plansee SE; d50 value of approx. 6 µm) is sieved in a sieve with a mesh size of 63 µm, whereby the coarse fraction >63 µm is not reused. 45 mol.% of the MoO 2 powder obtained in this way is mixed with 51 mol.% MoOs powder (Molymet, in this case with a d50 value of approx. 3 µm) and 4 mol.% niobium pentoxide powder (HC Starck, d50 value of approx. 2 µm; sieved to <63 µm; Nb 2 O 5 ) in a plowshare mixer (Lödige) for 20 minutes, so that a homogeneous distribution between the powder components is achieved. The resulting powder mixture is placed in a graphite mold with dimensions of 0250 mm (i.e. diameter of 250 mm) and a height of 50 mm and compacted in a hot press under vacuum at a pressure of 30 MPa, a temperature of 800 °C and a holding time of 360 minutes. The majority of the resulting target material consists of the matrix phase of the mixed oxide (Mo 0.91 Nb 0.09 ) 5 O 14 phase with a proportion of 78.6 vol.%. The compacted component has a relative density of 98.2%. The resulting target material has a MoO 2 phase with a proportion of 18.7 vol.%, a Mo 4 O 11 phase with a proportion of 2.6 vol.% and a Nb 2 O 3 phase with a proportion of 0.1 vol.%.
MoO2-Pulver (Plansee SE; d50-Wert von ca. 6 µm) wird in einem Sieb mit Maschenweite 63 µm abgesiebt, wobei der Grobanteil >63 µm nicht weiterverwendet wird. 39 Mol.% des so erhaltenen MoO2-Pulvers werden mit 52 Mol.% MoOs-Pulver (Molymet, vorliegend mit einem d50-Wert von ca. 3 µm) und 8 Mol.% Titandioxidpulver (Rutil; d50-Wert von < 1 µm; TiO2) in einer Kugelmühle für 10 min. gemahlen und anschließend in einem Intensivmischer (Eirich) für 10 min. gemischt, so dass sich eine homogene Verteilung zwischen den Pulverkomponenten ergibt. Die erhaltende Pulvermischung wird in eine Graphitform mit den Abmessungen Ø100mm und einer Höhe von 50 mm gegeben und in einer Heißpresse unter Vakuum bei einem Pressdruck von 30 MPa, einer Temperatur von 800 °C und einer Haltezeit von 120 min. verdichtet. Das kompaktierte Bauteil weist eine relative Dichte von 91,2% auf. Das erhaltene Targetmaterial weist eine Matrixphase aus dem Mischoxid (Mo0.97Ti0.03)5O14 auf.MoO 2 powder (Plansee SE; d50 value of approx. 6 µm) is sieved in a sieve with a mesh size of 63 µm, whereby the coarse fraction >63 µm is not reused. 39 mol.% of the MoO 2 powder obtained in this way is ground with 52 mol.% MoOs powder (Molymet, in this case with a d50 value of approx. 3 µm) and 8 mol.% titanium dioxide powder (rutile; d50 value of < 1 µm; TiO 2 ) in a ball mill for 10 minutes and then mixed in an intensive mixer (Eirich) for 10 minutes to achieve a homogeneous distribution between the powder components. The resulting powder mixture is placed in a graphite mold with dimensions of Ø100mm and a height of 50 mm and compacted in a hot press under vacuum at a pressure of 30 MPa, a temperature of 800 °C and a holding time of 120 min. The compacted The component has a relative density of 91.2%. The target material obtained has a matrix phase of the mixed oxide (Mo 0.97 Ti 0.03 ) 5 O 14 .
Im Rahmen einer Versuchsserie wurden die nach Beispiel 1 und Beispiel 2 hergestellten Molybdän-Tantal-Oxid-Targetmaterialien im Vergleich mit einem nicht-erfindungsgemäßen Molybdän-Tantal-Oxid-Targetmaterial (Referenz) bei vorgegebenen Prozessbedingungen nicht-reaktiv gesputtert, um die Schichteigenschaften zu ermitteln. Das als Referenz verwendete Molybdän-Tantal-Oxid-Targetmaterial wies die gleiche Zusammensetzung wie in den Beispielen 1 und 2 auf, ohne dass jedoch eine Matrixphase aus dem Mischoxid (Mo0.93Ta0.07)5O14 vorhanden war. Es wurde dabei eine Sputterleistung von 100 W und ein Prozessdruck des Argons von 5,0 × 10-3 mbar (22 sccm; sscm: Standardkubikzentimeter pro Minute) verwendet. Die Abscheiderate der verwendeten Sputtertargets ist in
Die Reflektivität der erzeugten Schichten wurde als Kriterium für die Beurteilung verwendet. Zur Bestimmung der Reflektivität wurden Glassubstrate (Corning Eagle XG, 50 × 50 × 0,7 mm3) mit Molybdän-Tantal-Oxid und einer Deckschicht aus 200 nm Al (Aluminium) beschichtet. Hierbei wurden die oberhalb genannten, nach Beispiel 1 und Beispiel 2 hergestellten Molybdän-Tantal-Oxid-Targetmaterialien im Vergleich zu dem oben genannten nicht-erfindungsgemäßen Molybdän-Tantal-Oxid-Targetmaterial (Referenz) bei vorgegebenen Prozessbedingungen nicht-reaktiv gesputtert. Die Reflektion wurde durch das Glassubstrat hindurch unter Verwendung eines Perkin Elmer Lambda 950 Fotospektrometers über den angegebenen Wellenbereich hinweg gemessen. Um eine möglichst geringe Reflektivität zu erhalten, wurde die Schichtdicke des Molybdän-Tantal-Oxids in einem Bereich von 40 bis 60 nm variiert. Die Ergebnisse aus dieser Versuchsserie für eine Molybdän-Tantal-Oxid Schichtdicke von 50 nm sind in
Wie aus einem Vergleich der
Zur Bestimmung der Volumenanteile der in dem Targetmaterial enthaltenen Phasen und der Dichte des Targetmaterials wurde mittels Trockenpräparation ein metallographischer Schliff aus einem repräsentativen Probenteil hergestellt, indem eine Probe mit einer Fläche von ca. 10-15 × 10-15 mm2 im Trockenschnittverfahren (Diamantdrahtsäge, Bandsäge, etc.) zugeschnitten, mittels Druckluft gereinigt, anschließend warm und leitend (C-dotiert) in Phenolharz eingebettet, geschliffen und poliert wurde. Da zumindest der MoOs-Phasenanteil wasserlöslich ist, ist eine Trockenpräparation wichtig. Der so erhaltene Schliff wurde anschließend lichtmikroskopisch analysiert.To determine the volume fractions of the phases contained in the target material and the density of the target material, a metallographic section was produced from a representative sample part using dry preparation. A sample with an area of approx. 10-15 × 10-15 mm 2 was cut using a dry cutting method (diamond wire saw, band saw, etc.), cleaned using compressed air, then embedded in phenolic resin while warm and conductive (C-doped), ground and polished. Since at least the MoOs phase portion is water-soluble, dry preparation is important. The section obtained in this way was then analyzed using a light microscope.
Zur ortsaufgelösten Bestimmung der in dem Targetmaterial enthaltenen Phasen wurde ein Raman-Mikroskop (Horiba LabRAM HR800) verwendet, bei dem ein konfokales Lichtmikroskop (Olympus BX41) mit einem Raman-Spektrometer gekoppelt ist. Die zu analysierende Oberfläche wurde dabei auf einer Fläche von 1 × 1 mm2 mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahls (He-Ne-Laser, Wellenlänge λ = 632,81 nm, 15 mW Gesamtleistung) Punkt für Punkt mit einer Schrittweite von 5 µm abgerastert (die zu untersuchende Probeoberfläche wurde auf einen motorisierten XYZ-Tisch fixiert und dieser bewegt). Für jeden einzelnen der 201 × 201 Messpunkte wurde ein vollständiges Raman- Spektrum erstellt ("Raman-Mapping"). Raman Spektren werden aus der rückgestreuten Strahlung gewonnen, die über ein optisches Gitter (300 Linien/mm; spektrale Auflösung: 2,6 cm-1) wellenlängendispersiv aufgespalten, und mittels eines CCD-Detektors (1024 × 256 pixel multichannel CCD; Spektralumfang: 200-1050 nm) aufgenommen werden. Bei einem Mikroskop-Objektiv mit 100-facher Vergrößerung und numerischer Apertur NA von 0,9, welches zur Fokussierung des Laserstrahls aus dem Raman-Spektrometer dient, ließ sich eine theoretische Messpunkt-Größe von 0,7 µm2 erzielen. Die Anregungsenergiedichte (5 mW/µm2) wird gering genug gewählt um Phasenumwandlungen in der Probe zu vermeiden. Die Eindringtiefe der Anregungsstrahlung ist bei Molybdänoxiden auf einige Mikrometer begrenzt (im Falle von reinem MoOs z.B. auf ca. 4 µm). Pro Messpunkt wurde das Ramansignal über 1 s (s: Sekunde) Akquisitionszeit zeitlich gemittelt, wobei sich ein ausreichend gutes Signal-zu-Rauschverhältnis ergab. Durch automatisierte Auswertung dieser Raman-Spektren (Auswertesoftware Horiba LabSpec 6) wurde eine zweidimensionale Darstellung der Oberflächenzusammensetzung der Probe erstellt, aus der sich quantitativ die Domänengröße, Flächenanteile, etc. der verschiedenen Phasen ermitteln lassen. Zur genauen Identifizierung einer Molybdänoxidphase werden Referenzspektren an zuvor synthetisierten Referenzproben bzw. Referenzspektren an größeren homogenen Probenbereichen aufgenommen, wobei darauf geachtet wird, dass ein Referenzspektrum genau einer Metalloxid-Phase entspricht. In den
Bei dem verwendeten Objektiv wurde von allen 201 × 201 Messpunkten ein Probenspektrum erhalten, auch wenn auf einer Pore gemessen wurde. In diesem Fall stammte das Signal aus einem unter der Pore liegenden, tieferen Bereich. Falls für einzelne Messpunkte kein Raman-Spektrum erhalten wird, z.B. aufgrund einer Pore, so kann dieses aus der Bestimmung der Flächenanteile ausgenommen werden, d.h. das von den Poren des Targetmaterials eingenommene Volumen ist vom Gesamtvolumen ausgeklammert. Die Volumenangaben der einzelnen Molybdänoxid-Phasen addieren sich daher allein ohne das Porenvolumen auf 100%.With the lens used, a sample spectrum was obtained from all 201 × 201 measuring points, even when measurements were taken on a pore. In this case, the signal came from a deeper area below the pore. If no Raman spectrum is obtained for individual measuring points, e.g. due to a pore, this can be excluded from the determination of the area proportions, i.e. the volume taken up by the pores of the target material is excluded from the total volume. The volume data for the individual molybdenum oxide phases therefore add up to 100% without the pore volume.
Die hier beschriebene Analysenmethode eignet sich sehr gut zur Bestimmung der relativen Phasenanteile der vorliegend in Frage kommenden Phasen.The analytical method described here is very well suited for determining the relative phase proportions of the phases in question.
Die Bestimmung der relativen Dichte des Targetmaterials erfolgt mittels digitaler Bildanalyse von lichtmikroskopischen Bildaufnahmen des metallographischen Schliffs, bei dem der relative Flächenanteil "FA" der Poren ermittelt wird. Dazu erfolgte nach Präparation der Proben eine Bildaufnahme von je drei Hellfeld-Aufnahmen mit einer Größe von 1 × 1mm2 mit 100-facher Vergrößerung, wobei Zonen offensichtlicher Ausbrüche oder sonstiger Schadensbilder wie Kratzer aufgrund von Trockenpräparation nach Möglichkeit vermieden wurden. Die erhaltenen Bilder wurden mittels der in der IMAGIC-Bilddatenbank implementierten digitalen Bildverarbeitungssoftware ausgewertet. Dazu wurde am Bild abhängig von der Graustufe der Porenanteil (dunkel) anhand eines Histogramms markiert. Die Untergrenze des Intervalls wurde bei 0 (= schwarz) angesetzt. Demgegenüber muss die Obergrenze subjektiv anhand des Graustufen-Intensitätshistogramms eingeschätzt werden (255 = weiß). Der zu messende Bildbereich wurde eingestellt (ROI), um den Maßstabsbalken auszuschließen. Als Ergebnis erhält man den relativen Flächenanteil "FA" der Poren (in Prozent) und das entsprechend des selektierten Graustufenintervalls eingefärbte Bild (gefärbt bedeutet, dass dieser Pixel in die Messung aufgenommen wurde und demnach als Pore gezählt wurde). Der Wert (1-FA) für die relative Dichte wurde als arithmetisches Mittel aus drei derartigen Porositätsmessungen ermittelt.The relative density of the target material is determined by digital image analysis of light microscopic images of the metallographic section, in which the relative surface area "FA" of the pores is determined. After preparation of the samples, three bright field images were taken each with a size of 1 × 1mm 2 at 100x magnification, whereby zones of obvious breakouts or other damage patterns such as scratches due to dry preparation were avoided where possible. The images obtained were evaluated using the digital image processing software implemented in the IMAGIC image database. For this purpose, the pore proportion (dark) was determined on the image based on a histogram depending on the gray level. marked. The lower limit of the interval was set at 0 (= black). In contrast, the upper limit must be subjectively estimated using the grayscale intensity histogram (255 = white). The image area to be measured was set (ROI) to exclude the scale bar. The result is the relative area share "FA" of the pores (in percent) and the image colored according to the selected grayscale interval (colored means that this pixel was included in the measurement and was therefore counted as a pore). The value (1-FA) for the relative density was determined as the arithmetic mean of three such porosity measurements.
Claims (9)
- Sputtering target comprising an electrically conductive, oxidic target material, where the target material consists, together with impurities, of at least one metal oxide- of molybdenum (Mo) as metallic main constituent, and of at least one doping element M from the group consisting of tantalum (Ta), niobium (Nb), vanadium (V) and titanium (Ti), characterized in that the target material comprises, based on a polished section thereof - measured using a Raman microscope as indicated in the description - a matrix phase composed of a mixed oxide (Mo1-xMx)5O14 where 0.01 ≤ x ≤ 0.13, where M in this mixed oxide is one or more elements from the group consisting of tantalum (Ta), niobium (Nb), vanadium (V) and titanium (Ti), wherein the matrix phase composed of the mixed oxide in the target material has, based on a polished section of the target material - measured using a Raman microscope as indicated in the description - a proportion of 100% or a proportion of ≥ 60% by volume and the target material consists furthermore ofa. MoO2 and Mo4O11 and alsob. optionally one or more compound(s) from the group consisting of:as one or more second phases which are distributed as islands in the matrix phase, with these second phases forming, based on a polished section of the target material and measured using a Raman microscope as indicated in the description, a total proportion of ≤ 40% by volume, wherein the proportion of the second phase MoOs in the target material is, based on a polished section of the target material - measured using a Raman microscope as indicated in the description - in the range 0 - 2% by volume, wherein the oxygen content in % by weight and determined by carrier gas hot extraction the target material is in the range from 26 to 32% by weight and wherein the total proportion of the doping element M in at.% in the target material relative to the total content of Mo and the doping element M in at.% is in the range 0.02 - 0.15.- MoO3,- further substoichiometric molybdenum oxides from the group consisting of
Mo17O47, Mo5O14, Mo8O23, Mo9O26 and Mo18O52,- stoichiometric and/or substoichiometric Ta oxide(s),- stoichiometric and/or substoichiometric Nb oxide(s),- stoichiometric and/or substoichiometric V oxide(s), and- stoichiometric and/or substoichiometric Ti oxide(s), - Sputtering target according to claim 1, characterized in that, in the target material, the doping element M is formed by Ta and the matrix phase is formed by the mixed oxide (Mo1-xTax)6O14 where 0.06 ≤ x ≤ 0.08.
- Sputtering target according to claim 2, characterized in that the doping element Ta is entirely present as metal oxide in the target material, where the proportion of the phase Ta2O5 in the target material is, based on a polished section thereof and measured using a Raman microscope, ≤ 3% by volume.
- Sputtering target according to any of claims 1 to 3, characterized in that, in the target material, the doping element M is formed by Nb and the matrix phase is formed by the mixed oxide (Mo1-xNbx)5O14 where 0.07 ≤ x ≤ 0.12.
- Sputtering target according to claim 4, characterized in that the doping element Nb is entirely present as metal oxide in the target material, where the proportion of the phase Nb2O5 in the target material is, based on a polished section thereof and measured using a Raman microscope, ≤ 3% by volume.
- Sputtering target according to any of the preceding claims, characterized in that the target material has a relative density of ≥ 95% and an electrical conductivity of ≥ 100 S/m at 25°C.
- Sputtering target according to any of the preceding claims, characterized in that the target material is present as a powder-metallurgically produced solid body.
- Sputtering target according to any of the preceding claims, characterized in that one or more second phases are present as finely and uniformly dispersed, small islands in the matrix phase in the target material, based on a polished section thereof and measured using a Raman microscope.
- Use of a sputtering target according to any of claims 1 to 8 for vapour deposition of a molybdenum oxide-containing layer, characterized in that the sputtering process is carried out as DC sputtering process or pulsed DC sputtering process in a noble gas atmosphere without oxygen or alternatively with introduction of not more than 20% by volume of oxygen as reactive gas.
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